二理想光学系统.ppt

工 程 光 学 信息科学与技术学院 授课教师：王 颖 第二章 理想光学系统 理想光学系统：以任意宽的光束都能成完善像的光学系统称为理想光学系统。 1. 理想光学系统与共线成像理论 2. 理想光学系统的基点和基面 3. 理想光学系统的物像关系 4. 理想光学系统的放大率 5. 理想光学系统的组合 6. 透镜 2.1 理想光学系统与共线成像理论 一、基本概念 高斯光学：假设在任意大的空间中，以任意宽 的光束都能成完善像。 共轭：物像对应关系叫做“共轭”。 共线成像：点对应点，直线对应直线，平面对 应平面的成像变换称之为共线成像 。 基点和基面：已知的共轭点和共轭面称为共轴系统的基点和基面。 二、共轴理想光学系统成像的性质 1. 光轴上的物点对应的共轭像点必然位于光轴上，过光轴的某一截面内的物点对应的共轭像点必位于该平面的共轭像面内，过光轴的任意截面成像性质都相同。 2. 垂直于光轴的物平面，其共轭像平面也必然垂直于光轴，且平面物与其共轭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，物体的各部分具有相同的放大率 。 3.一个共轴理想光学系统，如果已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率，以及轴上两对共轭点的位置，则其它一切物点的共轭像点都可以根据这些已知的共轭面和共轭点来表示。 2.2 理想光学系统的基点和基面 一、无限远的轴上物点和它对应的像点F’ 无限远轴上物点发出的光线与光轴平行。 像方焦点、焦平面；像方主点，主平面；像方焦距f’ 无限远轴外物点发出的光相互平行，且与光轴有一定的夹角ω，经成像系统会聚于像方焦平面上一点。 二、无限远轴上像点对应的物点 入射光线过物方焦点F，则出射光线//光轴。 二、无限远轴上像点对应的物点 物方焦点、焦平面；物方主点，主平面；物方焦距f 物方焦平面上任何一点发出的光线，通过理想光学系统后是一组互相平行的光线，其与光轴夹角的大小反映轴外点离开轴上点的距离。 三、物方主平面和像方主平面之间的关系 Q和Q’ ；无限远轴上物点和F’以及F和无限远轴上像点都是共轭点； 物方主平面QH和像方主平面Q’H’是一对共轭平面； 主平面的垂轴放大率为+1； 出射光线在像方主平面的投射高度与入射光线在物方主平面的投射高度相等； 四、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，利用近轴计算公式，计算实际系统基点位置和焦距。 例：已知三片型照像物镜，求光学系统的基点位置和焦距 (1)为求物镜的像方焦距f’，像方焦点F’的位置及像方主点H’的位置，可沿正向光路追迹一条平行于光轴的近轴光线，利用近轴光线的光路计算公式逐面计算。 (2)为求物镜的物方焦距f，物方焦点F的位置及像方主点H的位置，可沿反向光路追迹一条平行于光轴的近轴光线。相应的曲率半径改变符号。 近轴光线光路计算公式 多个折射面的过渡公式 2.3 理想光学系统物像关系求解 目的：对于确定的光学系统，给定物体位置、大小和方向，求其像的位置、大小、正倒和虚实。 一、图像法求像（定义） 可供选择的典型光线和可以利用的性质 ： 平行于光轴入射的光线，经过系统后过像方的焦点； 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，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； 共轭光线在主面上的投射高度相等 。 图像法求解实例 在理想成像的情况下，从一点发出的一束光线经光学系统作用后仍交于一点，只需求出物点发出的两条特定光线在像方空间的共轭光线，其交点即是对应的像点 1. 对于轴外一点和一段垂轴线段的图解法求像 图像法求解实例2. 轴上点的图解法求像 过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。 平行光束经系统后会聚于像方焦平面上 图像法求解实例 3. 轴上点经两个光组的成像 需要掌握任意光线的共轭光线 二、解析法求像 基本思想：已知主平面，无限远物点与像方焦点，以及物方焦点与无限远像点两对共轭点，则可求出其它物点对应的像点位置：x、x’ 1.牛顿公式：以光学系统的焦点为原点，物和像的位置相对于焦点位置来确定。 由ΔFBA ∽ΔFHM以及ΔF’H’N’∽ΔF’B’A’得： 垂轴放大率： 二、解析法求像 2.高斯公式：以光学系统的主点为原点，物和像的位置相对于主点位置来确定：l、l’。 三、由多个光组组成的理想光学系统 光组：一个光学系统可以由一个或几个部件组成，每个部件 可以由一个或多个透镜组成，这些部件即为光组。 光组间的过渡公式： 过渡关系式： 焦点间隔或光学间隔： 一般的过