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第二章 共轴球面光学系统
符号规则
常见的光学系统有多个光学零件组成,每个光学零件往往由多个球面组成
这些球面的球心在一条直线上即为“共轴球面系统”
这条直线称为“光轴”
折射球面的结构参数:曲率半径r、物方折射率n、像方折射率n
入射光线的参数:物方截距L、物方孔径角U
像方量在相应的物方量字母旁加“ ’ ”区分
光线的传播方向为自左向右
规定符号规则如下:
1)沿轴线段(如L、L’和r)
以顶点为原点,与光线方向相同为正,相反为负
2)垂轴线段(如h、y和y’)
以光轴为基准,光轴以上为正,以下为负
3)光线与光轴的夹角(如U、U’)
光轴转向光线;角量均以锐角计、顺时针为正、逆时针为负
4)光线与法线的夹角(如I、I’、I”)
光线转向法线
5)光轴与法线的夹角(如φ)
光轴转向法线
6)折射面间隔d
前一面顶点到后一面顶点,与光线方向相同为正,相反为负;在折射系统中,d恒为正
物方截距、像方截距、物方孔径角、像方孔径角等物理量是可以有正负的,但作为几何量AO、OA’、∠EAO、∠EA’O等应为正值;在负值物理量前加负号,以保证相应几何量为正
根据物像的位置判断物像的虚实
负(正)物距对应实(虚)物
正(负)像距对应实(虚)像
物体经过单个折射球面的成像
单球面成像的光路计算
已知折射球面的结构参数
曲率半径r,物方折射率n,像方折射率n’
已知入射光线AE的参数
物方截距L,物方孔径角U(轴上物点)
求出射光线参数
像方截距L’,像方孔径角U’(轴上像点)
光路计算2
在ΔAEC中用正弦定律,有
导出求入射角I的公式
(2-1)
由折射定律可以求得折射角I’
(2-2)
由角度关系,可以求得像方孔径角U’
(2-3)
在ΔA’EC中应用正弦定律,得像方截距L’
(2-4)
式(2-1)至(2-4)就是子午面内实际光线的光路计算公式,利用这组公式可以由已知的L和U求L’和U’
当物点A位于轴上无限远处时,相应的L=∞,U=0,则式(2-1)须改变为
(2-5)
若L是定值,L’是U的函数,即从同一点发出的光线,孔径角不同,将在像方交在不同的点上
同心光束经过单球面后不再是同心光束
这种误差被称为“球差”
球面对轴上点的不完善成像 球差是各种像差中最常见的一种
球面对轴上点的不完善成像
如果把孔径角U限制在很小的范围内,光线距光轴很近,称为“近轴光”,U、U’、I和I’都很小,式(2-1)~(2-4)中的正弦值用弧度来表示
用小写字母u、u’、i、i ’、l和l ’表示近轴量
(2-6)~(2-9)
当入射光线平行于光轴时,也以h作为入射光线的参数,有
(2-10)
近轴光线l ’与u无关,即当物点位置确定后,其像点位置与孔径角u无关,物点发出的同心光束经折射后在近轴区仍为同心光束
在近轴区成的是完善像,这个完善像通常称为“高斯像”
近轴区最常用的物像位置公式
(2-14)
已知物点位置l求像点位置l ’时(或反过来)十分方便
1、轴上物点:轴上同一物点发出的近轴光线,经过球面折射以后聚交一点,即轴上物点近轴成像时是符合理想成像条件的。
2、轴外物点:当辅助光轴与主光轴夹角较小时,认为辅助轴上点在主光轴的近轴区域内,所以符合理想成像条件。
在近轴区域时,每一物点对应于一个像点,与中间变量u,u`,i,i`均无关系。
推导物像位置关系
引入参数h,方向规定为以光轴为起点到光线在球面的投射点,向上为正,向下为负。
利用上面的公式,当已知球面半径r和介质折射率n,n`后,只要给出轴上物点位置就可以求出像点位置。
转面公式也可变为:
当入射光线不是以L和U给出的,而是以h和u给出的,可以利用公式:
即以光线在球面上的投射高度来进行光线计算。
近轴区域的物像放大率
为什么要讨论放大率?
物像位置计算解决了物和像的位置问题
物体经折射球面成像后,除了需要知道像的位置,还希望知道像的大小、虚实、倒正,这就是放大率问题
1. 垂轴放大率
定义式 (2-18)
计算式 (2-19)
β取决于共轭面的位置
β0,倒像(y’、y异号),物像位于球面的两侧(l’、l异号),像的虚实与物一致
β0,正像(y’、y同号),物像位于球面的同侧(l’、l同号),像的虚实与物相反
|β|1,放大;|β|1,缩小
2. 轴向放大率
定义式(2-20)
计算式(2-21)
轴向放大率恒大与(等于)零,表明像,物移动方向一致。
角放大率
定义式(2-23)
计算式(2-24)
三个放大率之间关系(2-26)
反射定律是折射定律在n’= - n时的特例
把n’=-n代入物像位置公式、放大率公式,就可以得到反射球面的成像特性
物像位置公式
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