第3章--理想光学系统-《应用光学》课件.ppt

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1、第3章理想光学系统3.1理想光学系统的概念及性质3.2理想光学系统的基点和基面、焦距3.3理想光学系统的成像3.4理想光学系统的组合3.5透镜3.1理想光学系统的概念及性质3.1.1理想光学系统的概念3.1.2理想光学系统的性质3.1.1理想光学系统的概念实际的光学系统要求用一定宽度的光束、对一定大小的范围成像。在估计其成像质量时，需利用理想光学系统成像的概念。如果光学系统对任意大的范围，以任意大的光束成像都是完善的，这样的光学系统便定义为理想光学系统。3.2理想光学系统的基点和基面、焦距3.2.1焦点、焦平面3.2.2主点和主平面3.2.3焦距3.2.4节点和节平面3.2.1焦点、焦平面图3

2、-1基点和基面3.2.1焦点、焦平面图3-2无限远轴外点和物方焦平面上点发出的光束a)无限远轴外点发出的光束b)物方焦平面上点发出的光束3.2.3焦距由光学系统的物方主点H到物方焦点F的距离称为光学系统的物方焦距(前焦距或第一焦距)，以f表示。同样由像方主点H到像方焦点F的距离称为像方焦距(后焦距或第二焦距)，以 f表示。为区别焦点在主点的左边还是右边，焦距有符号，其正、负是以相应的主点为原点来确定的，即物方焦距以物方主点为原点，像方焦距以像方主点为原点，如主点到相应焦点的方向与光线传播方向一致则为正，反之则为负。3.2.4节点和节平面图3-3过节点的光线3.3理想光学系统的成像一个理想光学系

3、统，只要知道了基点和基面的位置，利用它们的性质便可对物体进行图解求像或解析求像。1.轴外点图解求像2.轴上点图解求像3.3.1图解法1.轴外点图解求像图3-4轴外点图解求像2.轴上点图解求像5)上述作图规则可应用于两个以上光学系统的连续求像，这时可以把经第一个光学系统所成的像看作是物，再对第二个光学系统成像。2.轴上点图解求像图3-6轴上点图解求像3.3.2解析法1.牛顿公式2.高斯公式图3-7解析法求像1.牛顿公式2.高斯公式3.3.3理想光学系统物、像焦距间关系,光焦度和拉赫公式1.理想光学系统两焦距之间的关系2.光学系统的光焦度3.理想光学系统的拉赫公式1.理想光学系统两焦距之间的关系图

4、3-8两焦距之间关系2.光学系统的光焦度3.3.4理想光学系统的放大率及相互关系1.垂轴放大率2.轴向放大率3.角放大率4.三种放大率之间的关系1.垂轴放大率2.轴向放大率3.角放大率图3-11角放大率4.三种放大率之间的关系3.3.5由多个光组组成的理想光学系统的成像图3-12多光组光学系统成像3.4理想光学系统的组合3.4.1双光组的组合3.4.2多光组的组合3.4.1双光组的组合1.焦点位置公式2.焦距公式3.主点位置公式3.4.1双光组的组合图3-13双光组组合1.焦点位置公式1.焦点位置公式2.焦距公式2.焦距公式3.主点位置公式3.4.2多光组的组合1.正切计算法2.截距计算法1.

5、正切计算法图3-14三光组的组合3.5透镜3.5.1球面单透镜3.5.2非球面单透镜3.5.1球面单透镜1.单个折射球面的基点和基面2.单透镜(厚透镜)3.薄透镜3.5.1球面单透镜图3-15透镜的类型1.单个折射球面的基点和基面(1)单个折射球面的主点和主平面(2)单个折射球面的焦点、焦平面和焦距如图3-16所示，平行于光轴OC的入射光线AD，在球面上的D点折射后，出射光线交光轴于F点，显然，F即为球面的像方焦点，过F点作垂直于光轴的平面即为球面的像方焦平面；同样，平行于光轴反向入射于球面的光线BD，经球面折射后，交光轴于F，F即为球面的物方焦点，过F点作垂直于光轴的平面即为球面的物方焦平面

6、，线段OF、OF即为单个折射球面的物方焦距和像方焦距。(3)单个折射球面的节点图3-16单个折射球面的基点位置1.单个折射球面的基点和基面2.单透镜(厚透镜)(1)透镜的焦距公式(2)透镜主点、焦点的位置公式(1)透镜的焦距公式图3-17透镜的焦距及基点(2)透镜主点、焦点的位置公式3.薄透镜很多实际应用的透镜，其厚度与球面半径或焦距相比是一个很小的值，可略去不计，即认为d=0，这种近似不会对成像结果产生大的影响，还可使许多问题大为简化，称这种厚度为零的透镜为薄透镜。3.5.2非球面单透镜从广义角度讲，除了球面和平面以外的其他表面都可以称为非球面。在光电系统中，已采用或可适用的非球面主要有三种

7、类型：一类是轴对称非球面，如回转抛物面、回转双曲面、回转高次非球面等；第二类是具有两个对称面的非球面，如柱面、复曲面等；第三类是没有对称性的自由曲面。在绝大多数情况下，光电系统都采用轴对称非球面。非球面最主要的特性是非球面度，即非球面与最接近比较球面或者平面的偏离量，这个值决定了加工非球面的方法。对于相对口径不十分大的单透镜，非球面用二次曲面就能得到很好的效果。椭球面透镜和双曲面透镜的示意图如图3-18和图3-19所示。3.5.2非球面单透镜图3-18椭球面透镜示意图a)、b)负透镜c)、d)正透镜1椭球面2球面3.5.2非球面单透镜图3-19双曲面的透镜示意图a)负透镜b)正透镜【重点内容】

8、1)掌握理想光学系统的概念及它具有的性质。2)掌握理想光学系统的基点、基面(焦点和焦平面，主点和主平面，节点和节平面)及特殊点的性质、共轭关系和经过光线的性质，其中包括：无限远轴上(外)物点，其共轭像点及光线；无限远轴上(外)像点对应物点及光线的性质；物方主平面与像方主平面的性质；光学系统的节点及性质。3)能应用作图法根据几条特殊光线由物(轴上点及轴外点)求像，或由像求物；也要学会用作图法求出一个物经几个光学系统后的成像。4)掌握理想光学系统的物像关系的基本公式：牛顿公式和高斯公式。【重点内容】5)掌握理想光学系统的拉赫公式以及理想光学系统的两焦距f、f之间的关系。6)掌握理想光学系统三种放大率：垂轴放大率、轴向放大率、角放大率的定义、计算公式及物理意义，以及、三种放大率之间关系。7)对双光组的组合，应掌握其组合公式：焦点F、F的位置公式，焦距f、f的计算公式，主点H、H的位置公式。8)透镜可看成是双光组组合的应用，应了解透镜的类型，透镜的基点和基面、焦距的计算方法以及薄透镜(d=0)的情况。【例题】【例题】【例题】【例题】【例题】【例题】