完整版工程光学重点整理

1、工程光学重点整理第一章第一节几何光学根本定律直线传播定律,独立传播定律,反射折射定律,全反射,光的可逆原理1 .反射折射定律：入射光线、反射光线和分界面上入射点的法线三者在同一平面内.入射角和反射角的绝对值相等而符号相反, 即入 射光线和反射光线位于法线的两侧,即sin InI = I sin In2 .全反射及其应用注意：光密介质、光疏介质、临界角光密介质：分界面两边折射率较高的介质.光疏介质：分界面两边折射率较低的介质.临界角：折射角等于90时的入射角.全反射条件：光线从光密介质进入光疏介质；入射角大于临界角.费马原理：光是沿着光程为极植极大、极小或常数的路径传 播的.也可已表述为：光从一

2、点传播到另一点,期间无论多少次折射或反射,其光程为极值.利用费马原理可以证实：光的直线传播、折射及反射定律.马吕斯定律：光线束在各向同性的均匀介质中传播时,始终保持 着与波面的正交性,并且入射波面与出射波面对应点之间的光程 均为定值.折、反射,费马原理及马吕斯定律可互推.第二节a)光学系统与成像概念b) 1、光学系统的作用：c) 对物体成像,扩展人眼的功能.d) 2、完善像点与完善像：e) 假设一个物点对应的一束同心光束,经光学系统后仍为同心 光束,该光束的中央即为该物点的完善像点. 完善像是完善像 点的集合.f) 3、物空间、像空间：g) 物所在的空间、像所在的空间.h) 4、共轴光学系统：

3、图1-13共轴球面光学系统i) 口假设光学系统中各个光学元件外表的曲率中央在一条直线上,那么该光学系统是共轴光学系统.j) 5、各光学元件外表的曲率中央的连线,称光轴.1)完善成像条件：入射光出射光均为同心光束.n1AEn1EE1n2E1E2nkEkEnkEA =n1Aon1OO1n2O1O2nkOkOnkO A 二Cm)物像的虚实判断：实像真实存在且可以记录,虚像那么不可以.第三节a) i、根本概念1、光轴：通过球心C的直线2、顶点：光轴与球面的交点3、子午面：通过物点和光轴的截面4、物方截距：顶点O到光线与光轴交点A的距离5、物方孔径角：入射光线与光轴的夹角6、像方截距:7、像方孔径角:b

4、根本概念和符号规那么：1 .沿轴线段：光线的传播方向自左向右为正,原点为 折射面顶点由顶点到光线与光轴交点的方向和光线 的传播方向一致时为正.2,垂轴线段：以光轴为基准向上为正.3,光轴与光线夹角：由光轴转向光线所成的锐角顺时 针为正.4,光轴与法线的夹角：光轴以锐角方向转向法线,顺 时针为正.5.光线与法线的夹角：光线以锐角方向转向法线,顺 时针为正.6,相邻两折射面间隔：由前一面的顶点到后一面的顶 点距离,顺着光线的方向为正.c实际光线的光路计算 利用正弦定理和折射定律：sin - u sin i r - l r nsin I : n sin I i - - u = i u sin u _

5、 sin ir l - r专业文档！ 近轴光线的光路计算替换思想：当角度很小时,角度的正弦等l - r ur一n . = 二n F- I_ _ fu = I +u I/l =r 1+于角度值In lr111n 一二n r lrhn u nu = n n 一 rn n n nl l r轴上物点在近轴区内以细光束成像是完善,这个像是高斯像Q阿贝尔不变量,物空间与像空间的阿贝尔不变量相等.第四节单个折射面成像：垂轴放大率,轴向放大率,角放大率垂轴放大率：像的大小与物的大小的比值,.-专业文档！-y nlp =y nl轴向放大率：物点沿光轴作微小移动时,像点移动的距离与物点移动 的距离之比.dlnl2

6、n 2a = = = Pdln l2n角放大率：一对共钝光线与光轴的夹角之比.uln1uln说明：角放大率只与共钝点的位置有关,而与孔径角无关,表示折射面有将光束变宽或变窄的水平.三者之间关系：% 丫 = BJ = nuy = n u yJ拉赫不变量它是表征光学系统的重要指标.球面反射镜成像-当物体沿光轴移动时,像总是以相反的方向移动.共轴球面光学系统根本公式：成像放大率公式:ykV1y2yky1Viy2ykdlkdlidl2dlkdl1dl1dl2dlUkU1 U2UkU1U1 U2Uk光线入射高度的关系:h2 =几 - diUi,h3 = h2d2U2,hk1 一 dk-1Uk-1拉赫不变

7、量:J = nu1yl = n1u1y1=n2u2y2 = n2112y2 二nkUkVk : nkUkyn 1U 16、导出公式:n 1 l1三者之间的关系:a7第二章 第一节 1.共轴理想光学系统成像性质 1位于光轴上的物点对应的共钝像点必然在光轴上；位于过光轴的某一截面内的物点对应的共钝像点必位于该平面内,且在物面的共钝像面内；过光轴的任意截面成像性质都相同；垂直于光轴的物平面,它的共钝像平面也必然垂直于光轴.2)垂直于光轴的平面物与其共钝平面像的几何形状完全相似,即： 在垂直于光轴的同一平面内,物体的各局部具有相同的放大率B3) 一个共轴理想光学系统,如果两对共钝面的位置和放大率, 或

8、者一对共钝面的位置和放大率,以及轴上两对共钝点的位置, 那么其它一切物点的共钝像点都可以根据这些的共钝面和共钝 点来表示.第二节1 .会画一些特殊光线,理想光学系统的物像关系.无限远的轴外物点发出的光线：由于光学系统的口径大小总是有限的,所以无限远的轴外 物点发出的、能进入光学系统的光线总是相互平行的,且与光轴 有一定的夹角3.通过光学系统后会聚于像方焦平面上.无限远的轴上物点发出的光线：无限远的轴上物点发出的光线与光轴平行,通过光学系统后汇 聚于焦点.2 .理想光学系统的基点和基面：像方焦点、焦平面；像方主点、主平面；像方焦距物方主平面与像方主平面关系：物方主平面与像方主平面是一对共钝面；主

9、平面的垂轴放大率为+1,即：出射光线在像方主平面上的投射高度一定与入射光线在物方主平 面上的投射高度相等.实际光学系统的基点位置和焦距的计算：方法：在实际系统的近轴区追迹平行于光轴的光线, 就可以计算出实 际系统的近轴区的基点位置和焦距.为求物镜的像方焦距f、像方焦 点的位置F、像方主点的位置H,可沿正向光路追迹一条平行于光 轴的光线.物方主平面与像方主平面关系：两者是一对共钝面,且在光轴同侧. 牛顿公式x x = f f高斯公式：物和像的位置相对于光学系统的主点来确定：以主点为原点,用 l、 l来表示物距和像距.由上图可得 1、1与1、 x 的关系：3 .光学间隔：光学间隔等于前一个光组的像

10、方焦距与下一个光组的物 方焦距的乘积.4 .理想光学系统两焦距之间的关系：光学系统的两焦距之比为相应空 间介质的折射率之比.5 .解析法求像: 理论依据:可选择的典型光线和可利用的性质 平行于光轴入射的光线, 经过系统后过像方焦点；过物方焦点的光线,经过系统后平行于光轴; 倾斜于光轴入射的平行光束经过系统后会交于像方焦平面上的一点； 自物方焦平面上一点发出的光束经系统后成倾斜于光轴的平行光束； 共钝光线在主面上的投射高度相等.3、实例：对于轴外点骏一垂轴线段AB勺图解法求像轴上点的图解法求像:方法二:共轴理想光学系统成像理论假设主平面这一对共钝面、以及无限 远物点与像方焦点、物方焦点与无限远像

11、点这两对共钝点,那么其他一 切物点的像点都可以表示出来假设光学系统物方空间折射率与像方空间折射率不相同时,角放大率不御物像共轨点印节点不再与主点重合.可求得这对共轨点的位置是：Xj = fXj = f光学系统的基点：一对节点、一对主点和 一对焦点.知道它们的位置以后,就能充 分了解理想光学系统的成像性质.牛顿公式:物和像的位置相对于光学系统的焦点来确定,以焦点为原点,用X、x分别表示物距和像距放大率:当光学系统物空间和像空间的介质相同时,物方焦距和像方焦距有简单的关系:6 .由多个光组组成的理想光学系统的成像及过渡公式:= d f 1 f 2过渡关系式：12 :一 & , x2 ; x11焦点

12、间隔或光学间隔：第一光组的像方焦点到第二光组物方焦点 的距离.符号规定：以前一光组的像方焦点为原点.光学间隔与主面间隔之间的关系：dif；f2一般的过渡公式和两个间隔间的关系为:Xk 二 x1 - k-1 lk = lk-1- dk-1= H - f + fk dk-11 k 1 k 1物方焦距和像方焦距之间的关系式：nfn光学系统两焦距之比等于相应空间介质折射率之比.绝大多数光学系 统都在同一介质一般是空气中使用,故两焦距是绝对值相同,符号 相反,即：f = f假设光学系统中包括反射面,那么两焦距之间的关系由反射面个数决定,设反射面的数目为 ,那么可写成如下更一般的形式：匚二一 1k 1nf

13、n第四节会求理想光学系统的放大率垂轴放大率,角放大率,轴向放大率一、轴向放大率1、定义：当物平面沿光轴作一微量的移动 dx或dl时,其像平面就移动一相应的距离dx 或 dl .通常定义二者之比dx dla =为轴向放大率,用表示,即dx dl2、公式：rx a =- x=_ 2 f = n 2f n如果理想光学系统的物方空间的介质与像方空间的介质一样,上式 可简化为:二、角放大率1、定义：过光轴上一对共钝点,任取一对共钝光线, 它们与光轴的夹角分别为U 和U ,这两个角度的正切之比定义为这一 对共钝点的角放大率, 以丫表示：tgU tgU三.光学系统的节点：1、定义：光学系统中角放大率等于+

14、1的一对共钝点称节点.2、说明：假设光学系统位于空气中,那么公式可简丫3=1,在这=1=1种情况下,当时,主点即为节点.物理意义：过主点的入射光线经过系统后出射方向不变.第三章1平面镜旋转特性：当入射光线方向不变而使平面镜转动 口角时, 反射光线的方向改变了 2 %角,奇数次反射成镜像,偶数次反射成与物 一致的像.当物体旋转时,其像反方向旋转相同的度数.23平行平板的成像特性：光线经平行平板前方向不变；4平板是个无光焦度元件,不会使物体放大或缩小,在系统中对光 焦度无奉献.平行平板不能成完善像5平行平板的等效光学系统：1、平行平板在近轴区内以细光束成像时,近轴区内的轴向位移为：l = d 11

15、/ no2、物理意义：在近轴区,平行平板的轴向位移只与其厚度d和折射率n有关,与入射角无关.因此,平行平板在近轴区以细光束成像 是完善的.3、应用：将平行玻璃平板简化为一个等效空气平板.6棱 镜 成 像 坐 标 转 换7棱镜根本概念：棱镜的光轴：棱镜光轴为折线.光轴的折射次数=棱镜反射面数棱：工作面间的交线.主截面：垂直于棱线的平面.光轴位于主截面内一一光轴截面一次反射棱镜:简单棱镜,在主截面内的坐标改变方向,垂直于主截面的坐标不改变方向,而O Z始终沿出射光轴方向.二次反射棱镜相当于一个双面镜其出射光线与入射光线的夹角取决于两反射面的夹角,像与物一致,不存在镜像.8会画反射棱镜的光路图9会判

16、断棱镜的成像方向,掌握棱镜成像方向的判断原那么F F1. oz 坐标轴和光轴的出射方向一致.F F-、+一上0 V 口人-一上m -2 .垂直于主截面的坐标轴 视屋脊面的个数而定,如果有奇数个屋脊面,那么其像坐标轴方向与物坐标轴 0y方向相反；没有屋脊面或屋脊面个数为偶数,那么像坐标轴方向与物坐标轴方向一致.F F3 .平行于主截面的坐标轴0 X 的方向视反射面个数屋脊面算二个反射面而定.如果物坐标系为右手坐标系,当反射面个数为偶F F数时, 0 x 坐标轴按右手坐标系确定；而当反射面个数为奇数F F时, 0 x坐标轴依左手坐标系确定.10会计算折射棱镜的偏向角cl + dasin = n s

17、in 22cl +6asinm = nsin22第四章i掌握根本概念光阑,孔径光阑,视场光阑光阑：限制成像光 束宽度、位置与成像范围的薄金属片.分类：孔径光阑与视场光 阑.孔径光阑的定义与作用：定义：限制轴上物点成像光束宽度并有选择轴外物点成像光束位置作 用的光阑.作用：宽度轴上物点：光能量、位置轴外物点：分辨力、透镜 口径入射光瞳与出射光瞳：光瞳：孔径光阑的像.入射光瞳：孔径光阑经孔径光阑前面光学系统所成的像.出射光瞳：孔径光阑经孔径光阑后面光学系统所成的像.孔径光阑在单透镜系统的光瞳,孔径光阑在双透镜系统的光瞳作用：限制轴上物点成像光束情况,选择轴外物点成像光束位置孔径光阑、入瞳与出瞳三者

18、是物像关系.孔径光阑前无透镜时,自身即是入瞳、孔径光阑后无透镜时,自身即 是出瞳、孔径光阑贴近透镜时,即其前后均无透镜,那么自身即是入 瞳又是出瞳.点光束的限制U I2视场光阑：一视场光阑的定义与作用物方视场：能清楚成像的物面范围；像方视场：对应的像面；视场光阑：限定物面或像面大小成像范围的光阑.二入射窗和出射窗入射窗：视场光阑经其前面的光学系统所成的像；出射窗：视场光阑经其后面的系统系统所成的像；窗确实定：视场光阑位于像面上时,入射窗即物面,出射窗即视场光阑；视场光阑位于物面上时,入射窗即视场光阑,出射窗即像平面;出射光瞳F1孔径光阑入射光瞳F2F2图4-21孔径光阑与入瞳、出瞳jti三当像

19、面无法安装视场光阑的情况3照相系统,望远镜,显微镜中的光阑：照相系统根据轴外光束的 像质来选择孔径光阑的位置,大致在物镜的某个空气间隔中.在 有渐晕的情形下,轴外点光束宽度不仅由孔径光阑的口径确定, 而且还和渐晕光阑的口径有关.孔径光阑的开口一般为圆形,而 视场光阑的开头为圆形或矩形等.感光底片的框子即视场光阑.4渐晕系数D -光阑图4-4轴外光束的渐晕N二 D.5)望远系统：(1)两个光学系统联用时,一般应满足光瞳衔接原那么(2)目视光学系统的出瞳一般在外,且出瞳距不能短于 6mm.(3)望远系统的孔径光阑大致在物镜左右,具体位置可根据尽量减 小光学零件的尺寸和体积的考虑去设定.(4)可放分

20、划板的望远系统中,分划板框是望远系统的视场光阑6)显微镜系统物月里图4-显彳t键系统光路(1) 一般显微镜系统中,孔径光阑置于显微物镜上；一次实像面处 安装系统的视场光阑.(2)当显微镜系统用于测量长度时,为了消除测量误差,孔径光阑 安装在显微物镜的像方焦面处,称为“物方远心光路.用(3)在长光路系统中,往往利用场镜到达前后系统的光瞳衔接,以 减 小 光 学 零 件 的 口 径II图4-13长光路显微镜系统图4-14参加场镜的系统7光学系统中的景深：景深：成清楚像的空间深度8远景深度：远景平面距对准平面的距离9近景深度：近景平面距对准平面的距离第五章1辐射量根本概念：辐射能,辐通量,辐射度,辅

21、强度,辐射亮度.2光学量相关根本概念：光通量,光照度,发光强度,3光在传播中光学量的变化规律几个重要公式4光束经界面反射和折射的亮度5余弦辐射体相关结论第七章1眼睛的调节和校正：远点发散度或会聚度：能清楚调焦的极限远点距离的倒；R 1/1r近点发散度或会聚度 ：能清楚调焦的极限近点距离的倒数P = 1/lp眼睛的调节水平:2眼睛的分辨率：眼睛能够分辨的最靠近两相邻点的水平.物体对 人眼的张角称作视角,人眼能分辨的物点问最小视角称作视角鉴 别率：206265x 0.006 tg =34显微镜的照明方法： 1透射光亮视场照明2反射光亮视场照明3透射光暗视场照明4反射光暗视场照明生物显微镜多为透明标

22、本,常用透射光亮视场照明.其照明方式又分 两种,即临界照明和柯勒照明 5照明系统衔接条件：照明系统的拉赫不变量要大于投影系统的拉赫不变量.保证两个系统的光瞳连接和成像关系6高斯光束的传播7物镜后扫描系统原理8光纤传输图像的分辨率9分辨率概念第九章1电磁波的波动方程：Id 二b p:封闭曲面内的电荷密度；j：积分闭合回路上的传导电流密度;B :电感强度；E:电场强度；D:磁感强度；H:磁场强度. 丘 ZL 丘 ZB = f t E = f ti /)i /)2平面电磁波的性质2.1.横波特性：电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向.同相位.C 1.LB = GEvE 1 = /3.辐射强度矢量坡

23、印亭,在能量流动的方向上单位时间垂直通过 单 位 面 积 的 能 量.Ic121221 r 1 -S=wv E2 + B2 |v= vE2EB,S EM B2、 N JR N3计算平面电磁波见书上例题4菲涅尔公式的及其讨论,反射比,透射比的计算5隐失波含义.6光的吸收以及朗伯定律7光波的叠加定律以及现象分析：波的叠加原理,几个波在相遇点 产生的合振动是各个波在该点产生振动的矢量和.叠加结果为光 波振幅的矢量和,而不是光强的和.光波传播的独立性：两光波相遇后又分开,每个光波仍然保持原有的特性频率、波长、振 动方向、传播方向等 叠加的合矢量仍然满足波动方程的通解. 一个实际的光场是许多个简谐波叠加

24、的结果.二、两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加一三角函数的叠加E1 = a1 cos kr1 - t令:E2=a2 cos kr2 - tkr1 = 1 ,kr2 =12E = E1E2二 a1 cos1 - t a2 cos 2 - t8) 9)合振动的情况E = a cos 二- t式中：A 222A = a1a22a1a 2 cos 1 1 - 1 2, a1 sin 1a2 sin 1 2tg 二 二a1 cos 1a 2 cos 二 210)光程差 = n (1 -2 )是分析叠加结果的重要物理当 6=2mn ,A=m% 时：I = I MAX当 6 = (2 m + 1 )

25、兀, = ( m +1/ 2 )九时：I = I MINm = 0 , - 1 , - 2 ,11111驻波的含义及其波腹,波节的计算分析：两个频率相同、振动方 向相同而传播方向相反的单色光波的叠加将形成驻波.垂直入射 的光波和它的反射光波之间将形成驻波.kz = m 二 2波腹的位置:波腹的位置:kz 一 二 m 2波节的位置：,1kz 二 m 一 一 2212两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加合振动的大小和方向随时间变化,合振动矢量末端运动轨迹方程为:Ex = a1 cos kzi - t ,Ey = a2 cos kz2t3344E =x0Exy0Ey =x0a1coskz1ty0a2 coskz2-e2-2ai与一 ZExEycos 2a2a1a2tg 2= 22a1a22 cos , = kz2 - kz1 = 2 -13)光波的傅里叶分析第十章1)光的干预条件分析：(1)频率相同,(2)振动方向相同,(3)相位相差恒定(4)叠加