幾何光學 (1)

1、幾何光學,思考：基本概念和理想系統(tǒng),提出光線和光束概念的意義？形成鉆石外觀效果的原因。日出或日落的太陽略顯扁平，為什么？水下觀星空，會感受到什么變化？ 可逆性原理有何應用？如何拍攝一虛像？構(gòu)思一包含實物、實像、虛物、虛像概念的系統(tǒng)。眼睛能夠觀察到實像嗎？放電影時必須有屏幕，為什么？光纖彎曲對反射率的影響。相對折射率概念的意義。,測量（固、液、氣）的折射率，并估計測量精度。測量（固、液、氣）的折射率梯度。符號規(guī)則的

2、意義。遠軸如何演變成近軸？意義？牛頓公式和高斯公式的關系？各自應用的場合？注意單折射面和單薄透鏡的高斯物像公式和放大率公式的聯(lián)系和區(qū)別。幾種放大率的應用場合。圖解法、解析法和特性曲線法的優(yōu)點。色散的定義及色散元件的種類。色散現(xiàn)象的正反兩面作用。,理想光學系統(tǒng)理論的含義及其在光學設計中的作用。為什么說知道了基點的位置就能夠完全了解理想光學系統(tǒng)的成像特性？有幾種方法確定一實際光學系統(tǒng)的基點位置？幾種實際光學系統(tǒng)焦距的測定

3、方法，試估計各自精度。長焦攝影鏡頭和變焦攝影鏡頭的作用？為什么？遠攝型光組和反遠距型光組的應用場合。透鏡放在水中，焦距會變化嗎？,典型成像光學系統(tǒng),1 平面和平面系統(tǒng)2 眼睛3 目視光學系統(tǒng) 4 攝影系統(tǒng)和投影系統(tǒng) 5 光學系統(tǒng)的外形尺寸設計,1 平面和平面系統(tǒng),平面鏡雙平面鏡平行平板反射棱鏡折射棱鏡,平面鏡,1、對稱2、左手坐標系 右手坐標系,,一個像能否既是一致像，同時又

4、是倒像？,光學比較儀,光學比較儀（光學杠桿）的測量精度受哪些因素的影響？,雙平面鏡和角錐（棱）鏡,1、角錐（棱）鏡的作用？2、比較雙面鏡和角鏡在成像和變換光束過程中的異同。,平行平板,1、平行平板是否有像差？2、等效空氣平板的含義和應用。3、怎樣極精細地改變一支光路的光程？這種做法的意義？,反射棱鏡,作用：轉(zhuǎn)折光軸、轉(zhuǎn)像、倒像、掃描,此棱鏡作用？,,,思考 棱鏡1、棱和脊的區(qū)別。2、反射棱鏡中是否有折射現(xiàn)象？3、哪些情況

5、下采用屋脊棱鏡？4、含有棱鏡的光學系統(tǒng)的設計步驟。5、如何確定屋脊棱鏡的垂直度公差？6、采用雙像（點對稱和軸對稱）棱鏡的好處？,折射棱鏡,現(xiàn)在不用了！為什么？,2 眼睛: 視度、調(diào)節(jié)能力、景深,1)眼睛的調(diào)節(jié)能力表示為,稱為遠點視度，,2)調(diào)節(jié)能力A與年齡的關系 年齡 調(diào)節(jié)能力A

6、 3) 近視眼、遠視眼、散光眼4）景深 1、注意調(diào)節(jié)能力和景深的差別。 2、老花眼等于遠視眼嗎？,稱為近點視度.,,,,眼睛的缺陷及其矯正,近視眼的矯正,遠視眼的矯正,,,如何確定眼鏡度數(shù)？,分辨率和瞄準精度,=(1～12),1）眼睛能分辨兩個很靠近的點的能力稱為眼睛的分辨率。在

7、明視距離處對應的線距離約為0.0725毫米。,,2）在光學測量中，常用某種標志對目標在垂直于光軸的方向上進行重合或置中，這一過程稱為瞄準，此標志即瞄準標志。瞄準后，偏離完全重合或置中的程度稱為瞄準精度 .3）分辨率 和瞄準精度 的關系,4）區(qū)別：分辨率概念適用于觀察儀器，而瞄準精度概念適用于 測量儀器。,不同瞄準方式有不同的 值。,視覺放大率,1）定義 是直接看物體時物體對眼睛的張角， 是通

8、過目視光學系統(tǒng)觀察物體時，其像對眼睛的張角。 應用在目視光學系統(tǒng)。2）其它的放大率及應用 1、橫向（垂軸）放大率 2、角放大率 3、軸向放大率,,思考 成像系統(tǒng),比較景深和調(diào)節(jié)的不同。如何校正遠視眼和散光眼。分辨率和瞄準精度的區(qū)別及聯(lián)系。如何提高系統(tǒng)的瞄準精度？視覺放大率和垂軸放大率分別適用于哪類儀器？各類成像儀器的視場分別受哪些因素限制？,放 大 鏡,顯 微 鏡

9、,顯 微 鏡,稱為光學筒長 :物鏡的垂軸放大率， :目鏡的視覺放大率,或,顯 微 鏡,1）顯微物鏡的數(shù)值孔徑 NA=nsinU 與顯微鏡的物方分辨率 的關系2）顯微鏡的線視場為 3）顯微鏡的景深 ： 隨著倍率的增大，顯微鏡景深會急速減小。 景深大好還是小好？4）顯微鏡放大率的確定 觀察顯微鏡： 測量顯微鏡：,例 一臺生物顯微鏡的分辨率 ，求該顯

10、微鏡的放大率、物鏡和目鏡的放大率、物鏡的數(shù)值孔徑、物鏡的焦距以及工作距離。,解：1）顯微鏡的有效放大率 2）物鏡的數(shù)值孔徑 3）考慮到物鏡的放大率與數(shù)值孔徑的關系，取物鏡的放大率為 則目鏡的放大率為 4）一般生物顯微鏡共軛距( )國家規(guī)定為195毫米，則工作距離,，取實際放大率為,mm,物鏡的焦距,mm,顯 微 鏡,顯微鏡的物鏡,1）顯微鏡物鏡的

11、光學性能參數(shù) 主要性能參數(shù)是：數(shù)值孔徑NA和垂軸放大率β。,2）顯微鏡物鏡的類型,物鏡,折射式,反射式,折反射式,消色差物鏡,復消色差物鏡,平像場（復）消色差物鏡,顯微鏡物鏡的類型,低倍物鏡,中倍物鏡,高倍物鏡,平像場復消色差物鏡,反射式物鏡,顯微鏡的目鏡,顯微鏡目鏡的光學性能參數(shù),1）像方視場角,2）焦距,3）出瞳距,4）視度調(diào)節(jié)--目鏡軸向移動,5）工作距離s,常用目鏡型式：,冉斯登目鏡

12、 開涅爾目鏡,對稱式目鏡 無畸變目鏡 艾爾弗目鏡,顯微鏡的照明系統(tǒng),透射光照明系統(tǒng),臨界照明,柯拉照明,反射光照明系統(tǒng),顯微鏡的照明系統(tǒng),孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳,定義：-----------，三者共軛。作用：1、光照度，2、分辨率，3、景深，4、遠心系統(tǒng)，5、像差,物方遠心光學系統(tǒng),定義：物方主光線平行于光軸，相當于其會聚中心在

13、物方無窮遠。作用：調(diào)焦不準并不影響測量結(jié)果。,刻尺平面,,正確物平面,,思考：像方遠心光學系統(tǒng)？,視覺放大率 或,望 遠 鏡,1）觀察2）瞄準、測量3）平行光束的擴束、縮束4）改變光束發(fā)散角5）改變組合系統(tǒng)的焦距,望 遠 鏡的作用,望遠鏡的放大率的確定,1)根據(jù)望遠鏡的用途確定視覺放大率,對于觀察望遠鏡，有,對于測量望遠鏡，有,2)根據(jù)物鏡口徑確定視覺放大率,根據(jù)衍射理論和瑞利判據(jù)，有,為充分利用望遠鏡的分

14、辨率，有,望遠鏡的放大率的確定,例 經(jīng)緯儀望遠鏡視覺放大率 ，使用夾線瞄準形式，求望遠鏡的瞄準精度。,解：夾線瞄準形式下眼睛的瞄準精度 ，則望遠鏡的瞄準精度,例 天文望遠鏡物鏡口徑D=1000mm，問視覺放大率應取多少？,解：,實際放大率可取該值的兩倍，,望遠鏡的物鏡,望遠物鏡的光學特性 望遠物鏡的光學特性用焦距 相對孔徑 視場角2

15、,2) 望遠物鏡的類型：,折射式望遠物鏡,反射式望遠鏡物鏡,折反射式望遠物鏡,,,轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和場鏡,,,雙組透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng),場鏡的作用,棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)和透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)各自的優(yōu)點？,,4 攝影系統(tǒng)和投影系統(tǒng),,,攝影系統(tǒng)的工作原理1,攝影系統(tǒng)的工作原理2,攝影物鏡的光學參數(shù)及其作用,1）焦距 （長焦、短焦、變焦）,2）相對孔徑 作用：,（線/毫米）,1、物鏡的像面分辨率,,2、視場中心的像面照度,3）視場角2,相對孔徑倒數(shù)值，

16、稱其為F數(shù)與光圈數(shù)。,攝影物鏡的類型,普通攝影物鏡,長焦距攝影物鏡,短焦距攝影物鏡,變焦距攝影物鏡,投 影 系 統(tǒng),1）照明系統(tǒng)可分為透射照明和反射照明。為實現(xiàn)物面均勻照明，可采用柯拉照明方式。2）選用倒置的攝影物鏡作為投影物鏡一般能滿足投影系統(tǒng)對相對孔徑和視場的要求。 3）有的投影系統(tǒng)（如光刻投影系統(tǒng)）對畸變有極高要求。,5 光學系統(tǒng)的外形尺寸設計,設計步驟,1 確定光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理方案,2 進行外形尺寸的計算,設計實例,例

17、 設計—個萬能工具顯微鏡主顯微鏡系統(tǒng)（不包括照明系統(tǒng)）。主顯微鏡系統(tǒng)的瞄準精度 ，工作距離為60mm。,解：(1）確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理方案如圖所示，物體經(jīng)物鏡所成的放大的實像與分劃板重合，兩者一同經(jīng)目鏡成一放大的虛像。棱鏡的型式為斯米特屋脊棱鏡，它能使系統(tǒng)成正像，并且使光路轉(zhuǎn)折45°角，以便于觀察和瞄準。為簡便起見，物鏡和目鏡均按薄透鏡處理。為避免景深影響瞄準精度，物鏡系統(tǒng)采用物方遠心光路，

18、即孔徑光闌位于物鏡像方焦面上。,光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,等效光路原理圖,（2）外形尺寸計算1)首先繪出光學系統(tǒng)的光路原理圖 。 如圖所示，首先將棱鏡作為等效空氣平板處理。,2)求實際放大率 系統(tǒng)的有效放大率由系統(tǒng)的瞄準精度決定。用米字形虛線瞄準被測件輪廓，得系統(tǒng)有效放大率,由于工具顯微鏡一般要求有較大的工作距和物方線視場，又要求共軛距不能太長，因而工具顯微鏡的實際放大率和物鏡的放大率均不宜過大。取實際放大率為,3)求數(shù)值孔徑,4)求物

19、鏡和目鏡的放大率,物鏡的放大率取小一些，目鏡的放大率可適當取大一些，但也不能太大，以免鏡目距過短。再綜合考慮到物鏡放大率和數(shù)值孔徑的關系以及目鏡放大率的通用性，取物鏡的放大率,目鏡的放大率,5)求目鏡的焦距,6)求視場光闌（分劃板）的直徑D 考慮到像質(zhì)及物方線視場的大小，取視場光闌的直徑,7)求物方線視場的大小,8)求物鏡的焦距 由高斯公式,9)求共軛距(存在等效空氣平板),10)求物鏡的通光口徑D物和孔徑光

20、闌直徑D孔,11)求斯米特屋脊棱鏡的各尺寸,12)求出瞳的位置 和口徑,思考 成像系統(tǒng),很高的顯微鏡放大率帶來的正面和負面影響。概述數(shù)碼顯微鏡光學系統(tǒng)外形尺寸設計的主要步驟。天文望遠鏡的物鏡口徑、焦距很大，為什么？望遠系統(tǒng)的幾個應用。如何選用目鏡？幾何光學理論能否適用于非可見光頻段？為什么？,思考 光學系統(tǒng)中的光束限制,光闌的類型及作用。圖像邊緣較暗的原因？如何使照度均勻？兩系統(tǒng)相接，在光束限制方面應有何要求？

21、如何確定某光束的主光線？如何改變主光線的位置？其意義？一細長的多透鏡光學系統(tǒng)很可能視場很小，為什么？如何使視場變大？如何增大或減小景深？景深的正反兩方面作用。,思考 像差理論和像質(zhì)評價,哪些因素造成了像差的存在？像差的類型？分別對像質(zhì)產(chǎn)生什么影響？

22、 什么情況下不存在色差？不存在任何像差？如何減小像差？如何減小像差對測量精度的影響？系統(tǒng)的畸變能否為零？幾種像質(zhì)評價方法的原理、適用場合。理解空間頻率和光學傳遞