几何光学第1章 几何光学基本定律与成像概念-邓 Revised.ppt

概念：光波、光线、波面、光束； 几何光学基本定律：直线传播定律、折射与反射定律 、 独立传播定律、可逆性原理 费马原理（光程极值） 马吕斯定律（光线束与波面正交、入射出射波面间等光程） 五、小 结 对成像的要求 本节要解决的问题： 像与成像的概念 完善像点 物点 第二节 成像的基本概念与完善成像条件 1、物像关系 物点为发散光束的交点，经光学系统后，像点是会聚光束的交点。物、像光束均为同心光束。 一、光学系统与成像概念 Object Perfect Image the Optical System ★ 表述2：波面一致（入射、出射波面均为球面波）。 ★ 表述1：光束一致（入射、出射光束均为同心光束）。 二、完善成像条件 ★ 表述3：物、像点间任意光路的光程相等。 共轴 光学系统： 三、物、像的虚实 ——取决于是否是入射、出射的实际光线的交点。 实物 虚像 第三节 光路计算与近轴光学系统 一、基本概念与符号法则 1、单个折射球面 2、笛卡尔（坐标）法则 光轴、顶点、子午面、物/像距 (3) 沿轴线段：（如，物/像距） 以折射面顶点为坐标原点：其右方者为正，左方者为负. (2) 光线传播方向： 一般假定自左向右为正. 加撇号′与物方参量加以区别。 像方参量： 右 左 (6) 光路图中，都用各量的绝对值表示，即全正。凡负值的量, 在图中均加负号。 例： 按锐角方向旋转，顺时针为正，逆时针为负； (5) 夹角： 光轴与法线夹角：光轴转向法线 N 光线与法线夹角：光线转向法线 N 光线与光轴夹角（孔径角）：光轴转向光线 转向： 右 左 (4) 垂轴线段： （如，物像位置） 其上方为正，下方为负。 以主光轴为界： 二、 非近轴（大光束/大角度）情况下成像 球面像差（Spherical Aberration）： 同一物距，不同像距。 ★ 轴上成像不完善性原因：L一定, 三、近轴光线的光路计算 ★ 近轴条件： 光线在主轴附近很小的区域， 且与主轴夹角较小（?5°）。 ★ 实际光线用大写字母，近轴光线用小写字母。 ★像距只与物距有关 -------完善像。 高斯像 高斯像面 ——若把物放在像的位置，则其像就成在物的原位置上。 ★ 物像共轭点（Conjugate Points）： 3、近轴区域（ Paraxial Region） —— 阿贝不变式 物/像位置关系 例：置于空气（n = 1.0）中折射率为n′= 1.6 的玻璃哑铃,长度d=20cm，两端的曲率半径均为2.0cm。若在离哑铃左端5.0cm处的轴上有一物点，试求像的位置和性质。 ⑴ 光线自左向右传播，遇到凸折射球面： l1 =－5cm ，r =＋2cm l1′= +16cm ＞0 由阿贝不变式： （光路图中各量都用绝对值） l2″ = -10cm ＜0 ⑵ 光线遇到凹折射球面： l2 = 16cm－20cm =－4cm， r =－2cm； 20cm → 实像P ′ → 虚像P″，在哑铃中间。 第四节 球面光学成像系统(Paraxial Region) 一、单个折射球面成像 1、垂轴放大率 △ABC∽△A′B′C： 一对共轭面（垂直于光轴）上的物像是相似的。 ——垂轴物体 并利用阿贝不变量 ★ 成像特性分析： 思考：一个沿轴向有一定厚度的物体，经单个折射球面成 像后，物面上所有点是否获得等倍率放大？ 2、轴向放大率 对阿贝不变式 微分得： ★ 讨论： 1) ，物、像沿轴同向移动； 2) ，空间物体成像会发生变形。 ——反映光轴上一对共轭点沿轴向的移动量之比。 3、角放大率 ★ 拉格朗日—— 赫姆霍兹不变量 ——拉赫不变量！ ——取决于共轭点位置。 ——反映折射球面将光束变宽或变细的能力。 二、单个反射球面成像（凹面