几何光学成像.pptx
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1、2023/3/211实物成实像实物成实像实物成虚像实物成虚像虚物成实像虚物成实像虚物成虚像虚物成虚像光光 具具 组组Q QQQ光光 具具 组组Q QQQ光光 具具 组组Q QQQ光光 具具 组组Q QQQ第1页/共108页2023/3/2121.2 物像之间的共轭性和等光程性物点物点Q Q和像点和像点QQ之间各光线的光程都相等。之间各光线的光程都相等。Q QQQ2.2.由费马原理可导出一个重要结论:由费马原理可导出一个重要结论:物象之间的等光程性物象之间的等光程性1.物像共轭性第2页/共108页2023/3/2131.3 等光程面(1)反射等光程面n给定两点Q和Q,若有这样的一个曲面,凡是从Q
2、出发经它反射或折射后达到Q的光线都是等光程的曲面。平面镜对任何物点都是等光程面第3页/共108页2023/3/214(2)其他的反射等光程面都是 旋转二次曲面旋转椭球面:两焦点共轭,皆实或皆虚。可用于聚光,极特殊情况用于成像。旋转双曲面:两焦点共轭,一实一虚。旋转抛物面:焦点和轴上无限远点共轭,可实可虚。广泛使用(发射或接收)。第4页/共108页2023/3/215nn(n n)(3 3)折射等光程面和齐明点)折射等光程面和齐明点笛卡尔卵形面:四次曲面,给定后只有一对共轭点。折射球面,有一对共轭点,称为 齐明点(不晕点)。C.Q.Q.Mr 实际使用的折射面几乎全是 球面(加工,照顾多点)近来个
3、别照相机用了非球面透镜第5页/共108页2023/3/2162 2 2 2 共轴球面组傍轴成像共轴球面组傍轴成像共轴球面组傍轴成像共轴球面组傍轴成像共轴球面组:由球心在同一直线上的一系列折射或反射球面组成的光具组叫做共轴球面光具组。光轴:各球心的联线叫做它的光轴。傍轴光线:参加成像的光线限制在光轴附近。第6页/共108页2023/3/2172.1 2.1 光在单球面上的折射光在单球面上的折射由 推导成像公式 和,第7页/共108页2023/3/218利用可得:这就是准确的物像关系式或成像公式第8页/共108页2023/3/219 后(2)为了保持出射光束的同心性,必须近似处理讨论:令 则有可得
4、:已知时,给定同心光束的 随 变化,出射光束丧失了同心性。(1)高斯公式第9页/共108页2023/3/21101.平行于主轴的入射光线折射后与主轴相交的位置称为球面界面的像方焦点 ,从球面顶点A到像方焦点的距离称为像方焦距 2.轴上无穷远像点的共轭点称为物方焦点,记着F,从球面顶点A到物方焦点 的距离称为像方焦距 f 2.2 2.2 轴上物点成像焦距、物像距公轴上物点成像焦距、物像距公式式(2.19)式中令:得物、像方焦距公式:和,物方焦距:物方焦点:,有,像方焦距:像方焦点:,有第10页/共108页2023/3/2111,物方焦距:物方焦点:,有,像方焦距:像方焦点:,有(2.20)(2.
5、21)物像距公式的另一个表达式:(2.22)第11页/共108页2023/3/21122.3 2.3 单球折射面成像的符号法则单球折射面成像的符号法则 3)若入射光由右向左传播时,符号法则与上述规定相反 4)各个量在绘图中均用绝对值标示,实物(像)距均大于零,虚物(像)距均小于零。入射光从左向右传播时 1)若 和 点在A点的左方,则,若 和 点在A点的右方,则,则,、2)若 和 点在A点的左方,则,、若 和 点在A点的右方,第12页/共108页2023/3/21132.4 2.4 单球反射面成像的符号法则单球反射面成像的符号法则 入射光从左向右传播时 1)若 和 点在A点的左方,则,2)其余规
6、定与单球折射面成像的符号法则相同 若 和 点在A点的右方,则,第13页/共108页2023/3/21142.5 2.5 单球反射面成像公式单球反射面成像公式 此时 和 两个焦点重合 QPy符号规则,修改一条:像距 s 及焦距 f 也以在A之左为正(实为正)。在折射的公式中,将s 和 f 分别换成s 和 f 即得现在的公式。也可仅让 n=n 即可。第14页/共108页2023/3/21152.6 2.6 傍轴物点成像傍轴物点成像 物高和像高的符号法则:或 若 或 点在光轴上方,则 或 若 或 点在光轴下方,则 轴外共轭点的旁轴条件:第15页/共108页2023/3/21162.7 2.7 横向放
7、大率公式横向放大率公式 定义:横向放大率公式的推导:,用类似方法可以得到反射球面的横向放大率公式:第16页/共108页2023/3/2117讨论:讨论:(3)若,则为实像。若,则为放大像。(1)若,则为正立像。(2)若,则为缩小像。若,则为倒立像。若,则为虚像。第17页/共108页2023/3/21182.8 2.8 逐次成像方法逐次成像方法 将 推广 可得过渡关系:第18页/共108页2023/3/2119逐次成像的步骤:1)绘图,并确定第一次成像的入射光线 方向及计算起点;2)确定第一次成像的各个已知量的正负和大小;3)代入相应成像公式计算;4)检查结果是否合理;5)利用过渡关系求出下次成
8、像的物距,重复上述步骤逐次成像。第19页/共108页2023/3/2120注意:(1)光线反向时过渡关系不变;(2)多次成像的总放大率等于各次放大率的积,证明,以三次成像为例:第20页/共108页2023/3/21212.9 拉格朗日-亥姆霍兹定理1.从光轴到光线的的方向为逆时针时交角u为正,顺时针时交角u为负。有又最后:拉格朗日-亥姆霍兹定理第21页/共108页2023/3/21222.10 2.10 例例 题题 如图所示,玻璃球的曲率半径为,折射率为 观看此玻璃球时发现球内有一个气泡位于球心C和顶点A,连线的中点,求气泡距顶点A的距离?解:入射光线从左向右传播,计算起点为顶点A 已知:,求
9、:代入公式 得 是实物成虚像,实物位于顶点A左方 处 A C Q Q?=s第22页/共108页2023/3/21233 3 薄透镜薄透镜3.1 薄透镜的焦距公式 1)薄透镜定义:2)光心:第23页/共108页2023/3/2124 1)焦距公式的推导,消去 和 可得:有:,第24页/共108页2023/3/2125;可得:第25页/共108页2023/3/2126若 则:若 则:磨镜者的公式磨镜者的公式第26页/共108页2023/3/21272)正(会聚)透镜和负(发散)透镜由的正负确定3)凸透镜和凹透镜由中央和边缘的厚薄比较确定 4)注意:(1)应根据入射光的传播方向正确选择 的取值(2)
10、时:凸即为正(会聚),凹即为负(发散)时则相反 第27页/共108页2023/3/2128 判断透镜会聚光束还是发散光束,不能单看透镜的形状,还要看透镜两侧的介质。凸透镜是会聚透镜(a),凹透镜是发散透镜(c);凹透镜是会聚透镜(d),凸透镜是发散透镜(b)。显然,当透镜放在空气中时,薄凸透镜会聚光束,薄凹透镜发散光束。(a(a)(b(b)(c(c)(d(d)为什么?课下思考(从像方焦距公式考虑)第28页/共108页2023/3/21293.2 3.2 薄透镜成像的高斯公式薄透镜成像的高斯公式 由焦距公式可得:时,第29页/共108页2023/3/2130在 之左,物点 在 之左,3.3 3.
11、3 薄透镜成像的符号法则薄透镜成像的符号法则 1)计算起点是光心O时,符号法则与单球折射面的相同 2)计算起点分别是,且当入射光从左向右传播时,则;3)其它方面与单球折射面的符号法则相同 在 之右,则;像点 则;在 之右,则;第30页/共108页2023/3/21313.4 3.4 薄透镜成像的牛顿公式薄透镜成像的牛顿公式 如图:代入高斯公式可得:,薄透镜成像的物像关系图 第31页/共108页2023/3/21323.5 3.5 薄透镜成像的横向放大率公式薄透镜成像的横向放大率公式由:得:由于,即得:若 则有:第32页/共108页2023/3/21333.6 密接薄透镜组 定义:求密接薄透镜组
12、的焦距:,;,第33页/共108页2023/3/2134光焦度光焦度 定义:光焦度的单位是屈光度(diopter,记为D)例如:这个眼镜的度数为200度 由:得:第34页/共108页2023/3/21353.7 3.7 焦面焦面 物方焦面;像方焦面;主光轴与副光轴焦面性质:1)从物方焦面上一点发出的同心光束经过薄透镜后出射光束为平行光束 2)入射的平行光束经薄透镜后出射光束会聚在像方焦面上一点 第35页/共108页2023/3/21363.8 3.8 特殊光线和任意光线作图法特殊光线和任意光线作图法(1)特殊光线作图法:利用三条特殊光线作图 凸透镜凹透镜第36页/共108页2023/3/213
13、7(2)一般光线作图法:利用一条特殊光线和焦面 性质,找到任意入射光线的出射共轭线。作图法求轴上物点的像第37页/共108页2023/3/21383.93.9薄透镜逐次成像的计算法和作图法薄透镜逐次成像的计算法和作图法1)计算法与单球折射面逐次成像的计算方法相同 2)作图法的步骤如下:(2)第一次利用特殊光线作图法做图(3)以后各次均利用任意光线作图法做图(4)按比例测量成像后的各个待求量的值(5)每次均应检验,再进行下一次做图(1)按比例绘出初始光路图,在图中标出、等已知点和已知光线 第38页/共108页2023/3/2139小物放在 20厘米和40厘米,3.10 3.10 例题例题 1 1
14、 如图,凸透镜 和凹透镜 的焦距分别为 在 右面40厘米处,傍轴 左面30厘米处,求它的像。第39页/共108页2023/3/2140计算法:计算法:第一次成像:倒立、放大的实像第二次成像:正立、放大的实像 总放大率:最后成像为倒立、放大的实像,右方40厘米处。位于第40页/共108页2023/3/2141作图法:作图法:第一次利用特殊光线作图第二次利用任意光线作图 第41页/共108页2023/3/2142在制作氦氖激光管的过程中,往往采用内调焦平行光管粘贴凹面反射镜,其光学系统如图所示,图中 是目镜 的焦点,是物镜 的焦点。已知目镜和物镜的焦距均为2cm,凹面镜 的曲率半径为8cm。(1)
15、调节 ,使 与 之间的距离为5cm,与 之间的距离为10cm,试求位于 前1cm的叉丝P经光学系统后所成像的位置。(2)当 与 之间的距离仍为5cm时,若人眼通过目镜能观察到一个清晰的叉丝像,与 之间的距离应为多少?(6cm)(-4cm、2cm 可观察到两个像)例题 11 第42页/共108页2023/3/2143【解】(1)P 对L1直接成像;成像于L1前4cm处 其次P依次对L2、L3、L2、L1成像,最后成像于L1后2cm处故从目镜中可看到两个像(2)要想观察到一个清晰的像必须满足:上述P依次对L2、L3、L2、L1所成的像与P 对L1直接成的像重合,即P依次对L2、L3、L2所成的像与
16、P重合第43页/共108页2023/3/21444 理想光具组理论4.1 理想成像:扩展物的每一点都严格成像(物方的每个同心光束转化为像方的一个同心光束)。满足这种要求的成像系统称为理想系统。(共轴球面)理想系统的基本性质(麦克斯韦条件):(1)物方每个点、线、面对应像方一个点、线、面(共轭点、线、面)。(2)垂直于光轴的平面的共轭面也是垂直于光轴的平面。(3)一对共轭平面上的横向放大率是一常数 (这面上物、像保持几何相似)。单球面,在傍轴近似下满足上述条件。共轴球面系统傍轴光线光学 高斯光学 理想光具组理论第44页/共108页2023/3/2145主面和主点:横向放大率为+1 的一对共轭平面
17、叫做系统的主平面,它们与光轴的交点 H、H 称为主点。焦点和焦面:与无穷远像平面共轭的物方焦面(轴上交点为物方焦点);与无穷远物平面共轭的像方焦面(轴上交点为像方焦点);4.2 共轴理想光具组的基点和基面第45页/共108页2023/3/2146节点定义:光轴上光线角放大率W1 的两个共轭点叫做节点,记为 N 和 N 。通过两个节点且垂直于主光轴的平面分别叫做物方节平面和像方节平面。从物方节点到物方主焦点之距离,称为物方焦节距,用SN表示。从像方节点到像方主焦点之距离,称为像方焦节距,用SN表示。第46页/共108页2023/3/2147为了弄清节点和焦点、主点的关系,我们看下图中的两条平行入
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