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理想光学系统
§6-1 理想光学系统的物像共轭理论
由光路计算公式可以看出,由于折射定律中三角函数的非线性,即使单个折射面也有球差,不可能完善成像。除了球差,光学系统还能产生其它像差。所以实际光学系统成像是不完善的。这种成像的缺陷小到什么程度才是被允许的呢?为解决这问题,首先应建立一个理论基准模型,用实际光学系统与之比较。再根据接收器件的敏感及容限特性,决定设计的光学系统是否可用。这个理论基准模型便是理想光学系统。前面已经引入了点光源、光线的概念。在此基础上把高斯光学推广到光学系统,即在高斯光学范畴内建立起理想光学系统的数学模型。这种光学系统成像是完全理想的。物空间中的任何一个点,像空间必有且只有一个点与之对应,物空间一条直线像空间有一条且只有一条直线与之对应,进而推得面与面对应,体与体对应,这就是物像共轭理论。由于不考虑衍射,所以理想光学系统成像是绝对完善的。理想光学系统的物像共轭理论可归结为以下几点:
1、物空间的每一个点均对应于像空间一个点,且只有一个点。这两个对应点称为物像空间的共轭点。
2、物空间每一条直线对应于像空间一条直线,且只有一条直线,这两条对应直线称为物像空间的共轭直线。
3、如果物空间任一点位于一条直线上,那么像空间的共轭点也必在该直线的共轭直线上。.
这些定义可以推广到共轭面和共轭体。
§6-2 理想光学系统的基点和基面
有了理想光学系统的共轭理论,再根据高斯光学的线性关系,可以建立起理想光学系统的数学模型。这种理想光学系统是把光学系统抽象为由基点和基面构成,由这些基点和基面可以求得物像共轭关系。
理想光学系统的焦点、焦平面
下面讨论光轴上无限远物点与对应像点的共轭关系。图6-1为一光学系统对光轴上无限远物点的成像情况。是物空间光轴上无限远物点发出的一条光线(平行于光轴),是经光学系统后的共轭光线,与光轴交于。 图 6-1
由于高斯光学的线性关系,物空间光轴上无限远点发出的所有平行光轴的光线均会聚于点,故点为物空光轴上无限远物点的共轭点,即像点。称为光学系统的像方焦点。根据光路的可逆性,同样可以得到像空间光轴上无限远点的共轭点。称为物方焦点。
过像方焦点所作光轴的垂面称为像方焦平面,物空间光轴外物点发出的斜平行光束经光学系统后会聚于像方焦平面上。过物方焦点所作光轴的垂面称为物方焦平面,像空间光轴外点发出的斜平行光束经光学系统后会聚于物方焦平面上。反之,焦平面上任意点发出的光束经光学系统后均为平行光束。
二、理想光学系统的主平面、主点
在图6-2中,延长入射光线和出射光线,得到交点。同样在像空间再作一条平行光轴的光线,其物方共轭光线为。延长此两条光线交于点。设光线和入射高度相同(如图所示)。显然和是一对共轭点。分别过和作光轴的垂面和,这两平面为共轭平面。在此二平面内的任何共轭线段,如和,垂轴放大率均为1。称此二共轭平面为主 图 6-2
平面,其中为物方主平面,为像方主平面。它们和光轴的交点分别为和,称为物方主点,称为像方主点。
三、焦距
以物方主点为原点,物方焦点到物方主点的距离称为物方焦距,用表示。
(6-1)
以像方主点为原点,像方焦点到像方主点的距离称为像方焦距,用表示。
(6-2)
四、节点
理想光学系统除主点、焦点两种基点外,尚还有一种基点,就是角放大率为1的点,即光线通过此点,其共轭光线与之平行。一般光学系统位于空气中,即物空间介质折射率和像空间介质折射率相同,此时物方节点和物方主点重合,像方节点和像方主点重合。若时,则不是如此。比如单个球折射面,物、像方主点重合,均为球面顶点;物、像方节点重合,均为球心。显然主点和节点不重合。
有了基点和基面,理想光学系统的数学模型就建立起来了,从而便可以通过图解法和解析法求任意位置和大小的物体经光学系统所成的像。
§6-3 理想光学系统的物像关系
根据理想光学系统基点和基面的性质,已知物空间任意位置的点、线、面,用作图法求其共轭的点、线、面的位置,称为图解法求像。
对理想光学系统而言,从一点发出的一束光经光学系统折、反射后,必然交于一点。因此,要确定像点的位置,只须求出两条特定光线在像方空间的共轭光线,它们的交点即为像点。这两共轭光线可根据基点、基
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