几何光学PPT课件

1、思考：基本概念和理想系统提出光线和光束概念的意义？形成钻石外观效果的原因。日出或日落的太阳略显扁平，为什么？水下观星空，会感受到什么变化？ 可逆性原理有何应用？如何拍摄一虚像？构思一包含实物、实像、虚物、虚像概念的系统。眼睛能够观察到实像吗？放电影时必须有屏幕，为什么？光纤弯曲对反射率的影响。相对折射率概念的意义。第1页/共54页测量（固、液、气）的折射率，并估计测量精度。测量（固、液、气）的折射率梯度。符号规则的意义。远轴如何演变成近轴？意义？牛顿公式和高斯公式的关系？各自应用的场合？注意单折射面和单薄透镜的高斯物像公式和放大率公式的联系和区别。几种放大率的应用场合。图解法、解析法和特性曲线

2、法的优点。色散的定义及色散元件的种类。色散现象的正反两面作用。第2页/共54页理想光学系统理论的含义及其在光学设计中的作用。为什么说知道了基点的位置就能够完全了解理想光学系统的成像特性？有几种方法确定一实际光学系统的基点位置？几种实际光学系统焦距的测定方法，试估计各自精度。长焦摄影镜头和变焦摄影镜头的作用？为什么？远摄型光组和反远距型光组的应用场合。透镜放在水中，焦距会变化吗？第3页/共54页典型成像光学系统 1 平面和平面系统2 眼睛3 目视光学系统 4 摄影系统和投影系统 5 光学系统的外形尺寸设计第4页/共54页1 平面和平面系统 平面镜 双平面镜 平行平板 反射棱镜 折射棱镜第5页/共

3、54页平面镜1、对称2、左手坐标系 右手坐标系一个像能否既是一致像，同时又是倒像？第6页/共54页光学比较仪光学比较仪（光学杠杆）的测量精度受哪些因素的影响？第7页/共54页双平面镜和角锥（棱）镜 1、角锥（棱）镜的作用？2、比较双面镜和角镜在成像和变换光束过程中的异同。第8页/共54页平行平板1、平行平板是否有像差？2、等效空气平板的含义和应用。3、怎样极精细地改变一支光路的光程？这种做法的意义？第9页/共54页反射棱镜作用：转折光轴、转像、倒像、扫描此棱镜作用？第10页/共54页 思考 棱镜1、棱和脊的区别。2、反射棱镜中是否有折射现象？3、哪些情况下采用屋脊棱镜？4、含有棱镜的光学系统的

4、设计步骤。5、如何确定屋脊棱镜的垂直度公差？6、采用双像（点对称和轴对称）棱镜的好处？第11页/共54页折射棱镜现在不用了！为什么？第12页/共54页2 眼睛: 视度、调节能力、景深 1)1)眼睛的调节能力表示为PRprA11rR1pP1 称为远点视度， 2)2)调节能力A A与年龄的关系 年龄 调节能力A 3) 近视眼、远视眼、散光眼4）景深 1、注意调节能力和景深的差别。 2、老花眼等于远视眼吗？称为近点视度.第13页/共54页 眼睛的缺陷及其矫正 近视眼的矫正 远视眼的矫正 如何确定眼镜度数？第14页/共54页分辨率和瞄准精度 KK=(112) 1）眼睛能分辨两个很靠近的点的能力称为眼睛

5、的分辨率。在明视距离处对应的线距离约为0.0725毫米。 2）在光学测量中，常用某种标志对目标在垂直于光轴的方向上进行重合或置中，这一过程称为瞄准，此标志即瞄准标志。瞄准后，偏离完全重合或置中的程度称为瞄准精度 .3）分辨率 和瞄准精度 的关系 4）区别：分辨率概念适用于观察仪器，而瞄准精度概念适用于 测量仪器。不同瞄准方式有不同的 值。K第15页/共54页视觉放大率 tgtg/ 1 1）定义 是直接看物体时物体对眼睛的张角， 是通过目视光学系统观察物体时，其像对眼睛的张角。 应用在目视光学系统。2）其它的放大率及应用 1、横向（垂轴）放大率 2、角放大率 3、轴向放大率 第16页/共54页思

6、考 成像系统比较景深和调节的不同。如何校正远视眼和散光眼。分辨率和瞄准精度的区别及联系。如何提高系统的瞄准精度？视觉放大率和垂轴放大率分别适用于哪类仪器？各类成像仪器的视场分别受哪些因素限制？第17页/共54页放 大 镜ftgtg/250/第18页/共54页显 微 镜第19页/共54页显 微 镜f /250eeff2500eoFF称为光学筒长 : :物镜的垂轴放大率， : :目镜的视觉放大率 e或第20页/共54页显 微 镜61. 0NA1 1）显微物镜的数值孔径 NA=nsinU NA=nsinU 与显微镜的物方分辨率 的关系2）显微镜的线视场为 3）显微镜的景深 ： 随着倍率的增大，显微镜

7、景深会急速减小。 景深大好还是小好？4）显微镜放大率的确定 观察显微镜： 测量显微镜：tgy50025.72K5 .72第21页/共54页例 一台生物显微镜的分辨率 ，求该显微镜的放大率、物镜和目镜的放大率、物镜的数值孔径、物镜的焦距以及工作距离。 m2解：1 1）显微镜的有效放大率 2）物镜的数值孔径 3）考虑到物镜的放大率与数值孔径的关系，取物镜的放大率为 则目镜的放大率为 4）一般生物显微镜共轭距( )国家规定为195毫米，则工作距离 3625 .72，取实际放大率为 7217. 0255. 061. 061. 0NA612e9 .2771951lllmm 物镜的焦距 9.23lll l

8、fomm 显 微 镜ll第22页/共54页显微镜的物镜 1 1）显微镜物镜的光学性能参数 主要性能参数是：数值孔径NA和垂轴放大率。 2 2）显微镜物镜的类型 物镜 折射式 反射式 折反射式 消色差物镜 复消色差物镜平像场（复）消色差物镜 第23页/共54页显微镜物镜的类型 低倍物镜中倍物镜高倍物镜平像场复消色差物镜反射式物镜第24页/共54页显微镜的目镜 显微镜目镜的光学性能参数 1 1）像方视场角 22 2）焦距p3 3）出瞳距 ef 4 4）视度调节-目镜轴向移动5）工作距离s第25页/共54页常用目镜型式： 冉斯登目镜 开涅尔目镜 对称式目镜 无畸变目镜 艾尔弗目镜 第26页/共54页

9、显微镜的照明系统 透射光照明系统 临界照明 柯拉照明 第27页/共54页反射光照明系统 显微镜的照明系统 第28页/共54页孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳定义：-，三者共轭。作用：1、光照度，2、分辨率，3、景深，4、远心系统，5、像差第29页/共54页物方远心光学系统定义：物方主光线平行于光轴，相当于其会聚中心在物方无穷远。作用：调焦不准并不影响测量结果。刻尺平面正确物平面思考：像方远心光学系统？第30页/共54页视觉放大率 或DD/eofftgtg望 远 镜第31页/共54页1）观察2）瞄准、测量3）平行光束的扩束、缩束4）改变光束发散角5）改变组合系统的焦距望 远 镜的作用第32页/共54

10、页第33页/共54页望远镜的放大率的确定 1)1)根据望远镜的用途确定视觉放大率 对于观察望远镜，有 对于测量望远镜，有 aa2)2)根据物镜口径确定视觉放大率 根据衍射理论和瑞利判据，有 )3 . 2(22. 1DDo为充分利用望远镜的分辨率，有 3 . 2/D第34页/共54页望远镜的放大率的确定 例 经纬仪望远镜视觉放大率 ，使用夹线瞄准形式，求望远镜的瞄准精度。 10解：夹线瞄准形式下眼睛的瞄准精度 ，则望远镜的瞄准精度01 a11001 aa例 天文望远镜物镜口径D=1000mmD=1000mm，问视觉放大率应取多少？ 解：4353 . 210003 . 2D实际放大率可取该值的两倍

11、， 800第35页/共54页望远镜的物镜 1)1) 望远物镜的光学特性 望远物镜的光学特性用焦距 相对孔径 视场角2of ofD/2) 2) 望远物镜的类型： 折射式望远物镜 反射式望远镜物镜 折反射式望远物镜 第36页/共54页转像系统和场镜 双组透镜转像系统 场镜的作用 棱镜转像系统和透镜转像系统各自的优点？第37页/共54页4 4 摄影系统和投影系统 摄影系统的工作原理1 1 摄影系统的工作原理2 2 第38页/共54页摄影物镜的光学参数及其作用 2041fDLkE1 1）焦距 （长焦、短焦、变焦） f 2 2）相对孔径 作用： fD/fDN1490（线/毫米） 1、物镜的像面分辨率2、

12、视场中心的像面照度3 3）视场角2 2 相对孔径倒数值，称其为F数与光圈数。第39页/共54页摄影物镜的类型 普通摄影物镜 长焦距摄影物镜 短焦距摄影物镜 变焦距摄影物镜 第40页/共54页投 影 系 统 F F -X X f y y 1 1）照明系统可分为透射照明和反射照明。为实现物面均匀照明，可采用柯拉照明方式。2 2）选用倒置的摄影物镜作为投影物镜一般能满足投影系统对相对孔径和视场的要求。 3 3）有的投影系统（如光刻投影系统）对畸变有极高要求。 第41页/共54页5 5 光学系统的外形尺寸设计 设计步骤 1 1 确定光学系统的结构原理方案 2 2 进行外形尺寸的计算 第42页/共54页

13、设计实例 例 设计个万能工具显微镜主显微镜系统（不包括照明系统）。主显微镜系统的瞄准精度 ，工作距离为60mm60mm。 m2 . 1解：(1(1）确定系统的结构原理方案如图所示，物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合，两者一同经目镜成一放大的虚像。棱镜的型式为斯米特屋脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折4545角，以便于观察和瞄准。为简便起见，物镜和目镜均按薄透镜处理。为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。 第43页/共54页光学系统结构示意图第44页/共54页等效光路原理图 第45页/共54页（2 2）外形尺寸计算1)1)首先绘出光学系统的光路

14、原理图 。 如图所示，首先将棱镜作为等效空气平板处理。 2)2)求实际放大率 系统的有效放大率由系统的瞄准精度决定。用米字形虚线瞄准被测件轮廓，得系统有效放大率 242 . 15 . 25 .725 .72k由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜的放大率均不宜过大。取实际放大率为 30第46页/共54页3)3)求数值孔径11. 01300055. 061. 061. 0kNA4)4)求物镜和目镜的放大率 物镜的放大率取小一些，目镜的放大率可适当取大一些，但也不能太大，以免镜目距过短。再综合考虑到物镜放大率和数值孔径的关系以及目镜

15、放大率的通用性，取物镜的放大率 3目镜的放大率 10e第47页/共54页5)5)求目镜的焦距 mmfee252506)6)求视场光阑（分划板）的直径D D 考虑到像质及物方线视场的大小，取视场光阑的直径 mmyD212视7)7)求物方线视场的大小 mmyy7321228)8)求物镜的焦距 由高斯公式mmlf4510第48页/共54页9)9)求共轭距( (存在等效空气平板) ) mmlll2401 10)10)求物镜的通光口径D D物和孔径光阑直径D D孔 mmyNAlD2 .202物mmNAfDo9 . 92 孔11)11)求斯米特屋脊棱镜的各尺寸 12)12)求出瞳的位置 和口径 第49页/

16、共54页思考 成像系统很高的显微镜放大率带来的正面和负面影响。概述数码显微镜光学系统外形尺寸设计的主要步骤。天文望远镜的物镜口径、焦距很大，为什么？望远系统的几个应用。如何选用目镜？几何光学理论能否适用于非可见光频段？为什么？第50页/共54页思考 光学系统中的光束限制 光阑的类型及作用。 图像边缘较暗的原因？如何使照度均匀？ 两系统相接，在光束限制方面应有何要求？ 如何确定某光束的主光线？ 如何改变主光线的位置？其意义？ 一细长的多透镜光学系统很可能视场很小，为什么？如何使视场变大？ 如何增大或减小景深？ 景深的正反两方面作用。第51页/共54页思考 像差理论和像质评价 哪些因素造成了像差的存在？ 像差的类型？分别对像质产生什么影响？ 什么情况下不存在色差？不存在任何像差？ 如何减小像差？