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工程光学[]
(ABCDE)称为光线ABCDE的光程,简写为(AE) (AE)=(ABCDE)=∑nili=tAE*c 光程定义:光线在介质中的几何路程与该介质折射率的乘积 当光线在连续变化介质中传输时,光程计算为: (AE)=∫n(x,y,z)dl 光程可以理解为光在介质中从一点传到另一点的时间内,光在真空中传播的距离. 物像间的等光程性 一发光点或实物点发出的同心光束,若经光学系统成的像点是由发散或会聚同心光束相交而成,则称这像点是完善像点,或由物点发出的球面波经光学系统后的波面也是球面波,则光学系统成完善像。这对物像点称为共轭点。 完善成像时,物点与像点间各光线的光程相等,这便是物像之间的等光程性。(指完善成像光学系统) 2、费马原理 光从空间的一点到另一点的实际路径是沿着光程为极值的路径传播的。或者说,光沿着光程为极大、极小或常量的路径传播。 数学表达式: 费马原理的应用 前面讲的反射定律和折射定律均可由费马原理导出 1、由费马原理导出反射定律 AM+MB=(AB)= (AM+MB`)=(AB`) I入射角=I`反射角 2、费马原理导出折射定律 光程为极大、常值的实例 研究一个凹球面镜和一个椭球面: 凹球面镜反射是一个光程为极大值的例子:APBAQB; 椭球面是光程为常数的例子 光学系统及成像的概念 人们在研究光的各种传播现象的基础上,设计和制造了各种各样的光学仪器为生产和生活服务,如显微镜、望远镜。 所有的光学仪器中都是应用不同形状的曲面和不同介质做各种光学 零件——反射镜、透镜和棱镜等,如图所示。 下图是望远镜的典型光路图。 由两个透镜组(物镜和目镜)和两个棱镜构成的。 绝大多数的透镜系统都有一条对称轴线,这样的系统称为“光轴”。无对称轴的光学系统称为“非共轴系统”。 球面系统:在各种不同形式的曲面中,球面和平面生产较易,所以大多数光学系统中的光学零件均由球面构成,这种光学系统称为球面系统。 共轴球面系统: 我们主要研究的就是共轴球面系统和平面镜、棱镜系统。 透镜据形状不同可分为两大类:会聚透镜或正透镜(焦距0),特点是边薄心厚,各种形状的正透镜见图(a)所示;发散透镜或负透镜,特点是心薄边厚,如图(b)所示。 正透镜的成像:如图所示 物点和像点: 像散光束: 发散透镜:中心簿边缘厚 虚像点:如右图所示 实物点: 虚物点: 物空间/像空间:物/像所在的空间称为物/像空间。 共轭:据光路可逆定理,如把像点A`看成物点,则由此物点发出的光线必交于A点,则A点成了A`的像,A与A`点间这种对应关系称为共轭。 物像空间的折射率的规定:物空间介质折射率须按实际入射光线所在的系统前方空间介质的折射率来计算;像空间介质的折射率按实际出射光线所在系统后方空间介质折射率来计算,而不管其是实物/虚物点,还是实像/虚像点。 一、理想像和理想光学系统 应用光学的主要研究内容就是研究光学系统的成像性质。 对光学系统成像的最普遍要求就是成像应清晰。 为此,要求由同一物点发出的光线经光学系统后会聚为一点。即每一物点对应唯一像点。 直线——直线像; 平面——平面像; 通常将物像空间符合:点对应点、线对应线、平面对应平面的关系称为理想像。 共轴理想光学系统的特殊性质 轴上点的像也在光轴上; 位于过光轴的某一截面内的物点对应的像点必位于同一平面内; 过光轴的任意截面成像性质都是相同的。 可以用一个过光轴的截面来代表一个共轴系统。 垂直于光轴的物平面,它的像平面也必然垂直于光轴。 位于垂直于光轴的同一平面内的物所成的像,其几何形状和物完全相似——物平面上任何位置,物与像大小比例等于常数。 放大率:像与物大小之比为放大率。 共轴理想光学系统中,垂直于光轴的同一个平面上的各部分具有相同的放大率。 在光学系统中物空间和像空间符合点对应点、线对应线、平面对应平面的理想成像关系时,一般说这时物和像并不一定相似。 在共轴理想光学系统中只有垂直于光轴的平面才具有物像相似的性质。 对大多数成像光学系统要求像应该与物在几何形状上完全相似。因光学仪器是用来帮助人们看清物的。如果不相似,就无法真正了解实际物的情况。 一个共轴理想光学系统,如已知两对共轭面的位置和放大率;或一对共轭面的位置和放大率,以及轴上两对共轭点的位置,则其它一切物点的像点都可以根据这些已知的共轭面和共轭点确定。 作图法求像章节再详加说明。 第一章:几何光学基本原理 (一)光波和光线 1、光的本质 光和人类的生产、生活密不可分; 人类对光的研究分为两个方面:光的本性,以此来研究各种光学现象,称为物理光学;光的传播规律和传播现象称为几何光学。 1666年牛顿提出的“微粒说” 1678年惠更斯的“波动说” 1871年麦克斯韦的电磁场提出后,光的电磁波 1905年爱因斯坦提出了“光子”说 现代物理学认为光具有波、粒
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