工程光学讲稿球面PPT讲稿.ppt

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1、工程光学讲稿球面1第1页，共44页，编辑于2022年，星期六一、光学一、光学-简介简介光学真正形成一门科学，应该从建光学真正形成一门科学，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。两个定律奠定了几何光学的基础。光学光学-定义定义光是一种电磁波，在物理学中，电磁波光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电磁学中的麦克斯韦由电磁学中的麦克斯韦方程组描述。同时，光又具有波粒二象性。方程组描述。同时，光又具有波粒二象性。狭义来说，光学是关于光和视见的科学，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。狭义来说，光学是关于光和视见的科学，早期只用于跟眼睛

2、和视见相联系的事物。广义来说，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到广义来说，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。2第2页，共44页，编辑于2022年，星期六光学光学-分类分类人们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。人们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。光学光学-內容內容几何光学几何光学不考虑光的波动性以及光与物质的相互作用，只以光线的概念为基础，根据不考虑光的波动性以及光与物质的相互作用，只以

3、光线的概念为基础，根据实验事实建立的基本定律，通过计算和作图来讨论物体通过光学系统的成像规律。实验事实建立的基本定律，通过计算和作图来讨论物体通过光学系统的成像规律。它得出的结果通常是波动光学在某些条件下的近似或极限。它得出的结果通常是波动光学在某些条件下的近似或极限。物理光学物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传

4、插时所表现出的现象。表现出的现象。量子光学量子光学量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。3第3页，共44页，编辑于2022年，星期六工程光学工程光学将光学理论应用在工程领域的学科将光学理论应用在工程领域的学科工程光学。工程光学。二、课程的性质、任务和内容二、课程的性质、任务和内容工程光学是测控技术与仪器专业必修的技术基础课，在专业培养方案中是非常重要的技术工程光学是测控技术与仪器专业必修的技术基础课

5、，在专业培养方案中是非常重要的技术基础课。本课程主要讲授几何光学中的高斯光学理论、典型光学系统实例及应用；物理光学中基础课。本课程主要讲授几何光学中的高斯光学理论、典型光学系统实例及应用；物理光学中的干涉、衍射、偏振的光学现象、原理和它们在工程中的应用，通过本课程的学习使学生能够的干涉、衍射、偏振的光学现象、原理和它们在工程中的应用，通过本课程的学习使学生能够掌握工程光学的基本概念、基本原理，初步掌握测量仪器的光学元件、光学系统的设计，同时掌握工程光学的基本概念、基本原理，初步掌握测量仪器的光学元件、光学系统的设计，同时为专业课的学习打下一个良好的基础。为专业课的学习打下一个良好的基础。三、教

6、学的内容及学时安排三、教学的内容及学时安排讲授教材的几何光学和物理光学。讲授教材的几何光学和物理光学。课堂教学课堂教学50学时学时6学时的实验课，总计学时的实验课，总计56学时。学时。4第4页，共44页，编辑于2022年，星期六第一章第一章几何光学基本定律与成像概念几何光学基本定律与成像概念l 几何光学的基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折几何光学的基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律（全反射及其应用）、光路的可逆性、费马原理（最短光程原理）。射定律（全反射及其应用）、光路的可逆性、费马原理（最短光程原理）。l 完善成像条件的概念和相关表述。完

7、善成像条件的概念和相关表述。l 应用光学中的符号规则，单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴）应用光学中的符号规则，单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴）。l 单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率单个折射面的成像公式，包括垂轴放大率、轴向放大率、轴向放大率、角放大率、角放大率、拉赫不变量等公式。拉赫不变量等公式。l 球面反射镜成像球面反射镜成像l 共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）。共轴球面系统公式（包括过渡公式、成像放大率公式）。教学内容教学内容5第5页，共44页，编辑于2022年，星期六重点内容重点内容几何光学的基本定律；几何光学的基本定律；单个折射球面的符号规定；

8、单个折射球面的符号规定；单个折射球面的物象位置和大小的关系；单个折射球面的物象位置和大小的关系；共轴球面系统的物象位置和大小的关系。共轴球面系统的物象位置和大小的关系。教学要求教学要求掌握几何光学的基本定律、成象的基本概念；掌握几何光学的基本定律、成象的基本概念；理解完善像的条件；理解完善像的条件；掌握单个折射球面的光线光路计算；掌握单个折射球面的光线光路计算；掌握球面镜的光学计算。掌握球面镜的光学计算。6第6页，共44页，编辑于2022年，星期六1.11.1 几何光学的基本定律几何光学的基本定律一、光波与光线一、光波与光线1 1、光波、光波（1 1）光是一种电磁波）光是一种电磁波,其在空间的

9、传播和在界面的行为遵从电磁波的一般规律。其在空间的传播和在界面的行为遵从电磁波的一般规律。（2 2）可见光波长）可见光波长为为380nm380nm760nm760nm。对于不同波长的光，人们感受到的颜色不同。对于不同波长的光，人们感受到的颜色不同。（3 3）光在真空中的传播速度）光在真空中的传播速度c c为：为：3030万公里万公里/秒，在介质中的传播速度小于秒，在介质中的传播速度小于c c，且随波，且随波长的不同而不同。长的不同而不同。宇宙射线宇宙射线射线射线x射线射线光光波波短波短波中中波波长波长波10-1010-810-610-410-211021041061010108/m软软x射线射

10、线真空真空紫外线紫外线紫紫外外线线可可见见光光近红近红外线外线中红外线中红外线远红外线远红外线10-3103/m7第7页，共44页，编辑于2022年，星期六（4 4）单色光：具有单一波长的光。）单色光：具有单一波长的光。（5 5）复色光：不同波长的单色光混合而成的光。）复色光：不同波长的单色光混合而成的光。2 2、光线、光线（1 1）光源（发光体）：能够辐射光能的物体。如日光灯、太阳、白炽灯、碘钨灯、钠）光源（发光体）：能够辐射光能的物体。如日光灯、太阳、白炽灯、碘钨灯、钠灯、激光器等。当光源的大小与它的作用距离相比可忽略时，此光源可称为点光源或称灯、激光器等。当光源的大小与它的作用距离相比可

11、忽略时，此光源可称为点光源或称为发光点。为发光点。（2 2）光线：由发光点发出的光抽象为许多携带能量并带有方向的几何线。）光线：由发光点发出的光抽象为许多携带能量并带有方向的几何线。3 3、波面：由发光点发出的光波向四周传播时，在某一时刻其振动位相相同的各点、波面：由发光点发出的光波向四周传播时，在某一时刻其振动位相相同的各点构成的曲面。构成的曲面。4 4、光束：与波面对应的法线束。、光束：与波面对应的法线束。5 5、光波的分类：平面波、球面波（发散光波和汇聚光波）、任意曲面波、光波的分类：平面波、球面波（发散光波和汇聚光波）、任意曲面波非同心光束发散光束会聚光束 平行光束8第8页，共44页，

12、编辑于2022年，星期六二、几何光学的基本定律二、几何光学的基本定律 1 1、光的直线传播定律、光的直线传播定律在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。9第9页，共44页，编辑于2022年，星期六2、光的独立传播定律、光的独立传播定律从不同光源发出的光线，以不同的方向经过某点时，各光线独立传播着，彼从不同光源发出的光线，以不同的方向经过某点时，各光线独立传播着，彼此互不影响。此互不影响。S1S212一般情况下，在交汇区总光强是两束光单独存在时光强之和。I=I1+I2若若 1=2、位相差不随时间变化、位相差不随时间变化,且不是垂直相交此区内的光强分布将

13、呈现为相干且不是垂直相交此区内的光强分布将呈现为相干分布。分布。10第10页，共44页，编辑于2022年，星期六3 3、反射定律和折射定律、反射定律和折射定律反射定律：反射定律：（1 1）入射光入射光线线、反射光、反射光线线和分界面上入射点的法和分界面上入射点的法线线三者在同一平面内三者在同一平面内 （2 2）入射角和反射角的入射角和反射角的绝对值绝对值相等而符号相反，即入射光相等而符号相反，即入射光线线和反射光和反射光线线位于法位于法线线的两的两侧侧，即：即：I=-II=-I折射定律：折射定律：（1 1）入射光入射光线线、折射光、折射光线线和分界面上入射点的法和分界面上入射点的法线线三者在同

14、一平面内。三者在同一平面内。（2 2）入射角的正弦与折射角的正弦之比和入射角的大小无关，只与两种介入射角的正弦与折射角的正弦之比和入射角的大小无关，只与两种介质质的折射率的折射率有关。折射定律可表示有关。折射定律可表示为为:在折射定律中，若令在折射定律中，若令n n=-n,=-n,则则得到反射定律，因此得到反射定律，因此可将反射定律看成是折射定律的一个特例。根据可将反射定律看成是折射定律的一个特例。根据这这一特点一特点，在光，在光线线反射的情况下，只要令反射的情况下，只要令 n n=-n=-n，所有折射光，所有折射光线传线传播的播的计计算均适合反射光算均适合反射光线线。nnIII11第11页，

15、共44页，编辑于2022年，星期六例题：一个圆柱形空筒高例题：一个圆柱形空筒高16cm，直径，直径12cm。人眼若在离筒侧某处能见到筒底侧的。人眼若在离筒侧某处能见到筒底侧的深度为深度为9cm；当筒盛满液体时，则人眼在原处恰能看到筒侧底。求该液体的折射率。；当筒盛满液体时，则人眼在原处恰能看到筒侧底。求该液体的折射率。在在AOD中，根据几何关系有中，根据几何关系有P12ABDI1I2n1n2=1CO912第12页，共44页，编辑于2022年，星期六折射率：折射率是表征透明介质光学性质的重要参数。折射率：折射率是表征透明介质光学性质的重要参数。表达式：表达式：n=c/vn=c/v4 4、全反射及

16、其应用、全反射及其应用概念：当光线射至透明介质的光滑分界面而发生折射时，必然会伴随着部分概念：当光线射至透明介质的光滑分界面而发生折射时，必然会伴随着部分光线的反射。在一定条件下，该界面可以将全部入射光线反射回原介质而无光线的反射。在一定条件下，该界面可以将全部入射光线反射回原介质而无折射光通过，这就是光的全反射现象。折射光通过，这就是光的全反射现象。nn009000ImAnnPQIIII13第13页，共44页，编辑于2022年，星期六光密介质：分界面两边折射率较高的介质光密介质：分界面两边折射率较高的介质光疏介质：分界面两边折射率较低的介质光疏介质：分界面两边折射率较低的介质由上图可知当光从

17、两个光滑分界面（由上图可知当光从两个光滑分界面（nnnn)的的A A点以一定的入射角时，由折点以一定的入射角时，由折射定律可知当入射角增大到一定程度时，在分界面可看到折射光线沿分界射定律可知当入射角增大到一定程度时，在分界面可看到折射光线沿分界面射出，此时的入射角为临界角面射出，此时的入射角为临界角 I Im macrsin(nacrsin(n/n)/n)全反射条件：全反射条件：光线从光密介质进入光疏介质；光线从光密介质进入光疏介质；入射角大于临界角入射角大于临界角应用：光纤、反射棱镜等。应用：光纤、反射棱镜等。5 5、光路的可逆、光路的可逆性：性：光源光源S1S1发射的光线经发射的光线经B

18、B点折射向点折射向C C。若在若在C C点置一光线，光线亦可由点置一光线，光线亦可由C C点出点出射经射经B B点折射而射向点折射而射向A A，即光线是可逆的。，即光线是可逆的。S1S214第14页，共44页，编辑于2022年，星期六例题：有一个等腰直角三棱镜，若使光线垂直于一直角面入射其内，并在斜面例题：有一个等腰直角三棱镜，若使光线垂直于一直角面入射其内，并在斜面上产生全反射。求该棱镜的折射率上产生全反射。求该棱镜的折射率n。如果用。如果用n1.5的玻璃做成同样的形状三棱镜，的玻璃做成同样的形状三棱镜，且浸没于水中（且浸没于水中（n1.33）。试问光线在进入棱镜后会发生什么现象？）。试问光

19、线在进入棱镜后会发生什么现象？1）利用全反射定律可求临界角）利用全反射定律可求临界角分析：分析：n1，若发生全反射，若发生全反射，I1=Im4502）若棱镜浸入在水中时：）若棱镜浸入在水中时：Im62.503)由于光线在玻璃与水面的入射角由于光线在玻璃与水面的入射角I1450小于临界角小于临界角Im62.50，所以不会反射全反，所以不会反射全反射。射。I1I1I2n15第15页，共44页，编辑于2022年，星期六三、费马原理三、费马原理光程：光线在介质中传播的几何距离光程：光线在介质中传播的几何距离L与介质折射率与介质折射率n的乘积。的乘积。即即 S=LnL(c/v)c(L/v)ct由此可见由

20、此可见,光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。中所走过的几何路程。若光线经过介质不连续变化，则光程可用表示：若光线经过介质不连续变化，则光程可用表示：若光线经过介质连续变化，则光程可用积分表示：若光线经过介质连续变化，则光程可用积分表示：费马原理：费马原理：光光线线从从一一点点传传播播到到另另一一点点，无无论论经经过过多多少少次次折折射射和和反反射射，其其光光程程为为极极值值（极极大大、极极小小、常常量量），也也就就是是说说光光是是沿沿着着光光程程为为极极值值的的路路径径传播。传播。利用费马原理，可以导出光的直线传播定律和反射、

21、折射定律。利用费马原理，可以导出光的直线传播定律和反射、折射定律。ABdl16第16页，共44页，编辑于2022年，星期六利用费马原理证明反射定律利用费马原理证明反射定律设：设：A为点光源（为点光源（x1，0，z1）B为接受光源（为接受光源（x2，0，z2）P为光线的入射点（为光线的入射点（x，y，0）由费马原理求光程的极值得：由费马原理求光程的极值得：zxABix2-x1xPi017第17页，共44页，编辑于2022年，星期六将将1、2代入代入3式得：式得：只有只有y0时，上式成立。即入射光线法线及反射线必垂直于反射面的平面。时，上式成立。即入射光线法线及反射线必垂直于反射面的平面。将将1、

22、2代入代入4式得：式得：只有当只有当i=i时上式成立，则反射角等于入射角。证毕时上式成立，则反射角等于入射角。证毕18第18页，共44页，编辑于2022年，星期六1.21.2 成像的基本概念与完善成像条件成像的基本概念与完善成像条件一、光学系统与成像概念一、光学系统与成像概念1 1、光学系统：它是由若干光学元件（透镜、棱镜、反射镜和平面镜等）组、光学系统：它是由若干光学元件（透镜、棱镜、反射镜和平面镜等）组 成的系统。成的系统。2 2、共轴光学系统：、共轴光学系统：若光学系若光学系统统中各个光学元件表面的曲率中心在一条直中各个光学元件表面的曲率中心在一条直线线 上，上，则该则该光学系光学系统统

23、是共是共轴轴光学系光学系统统。3 3、光光轴轴：光学系：光学系统统中各个光学元件表面的曲率中心的中各个光学元件表面的曲率中心的连线连线。4 4、光学系统的作用：对物体成像。、光学系统的作用：对物体成像。5 5、完善像点：若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍为同心光、完善像点：若一个物点对应的一束同心光束，经光学系统后仍为同心光 束，该光束的中心即为该物点的完善像点。束，该光束的中心即为该物点的完善像点。19第19页，共44页，编辑于2022年，星期六二、完善成像条件二、完善成像条件表述一：入射波面是球面波时，出射波面也是球面波。表述一：入射波面是球面波时，出射波面也是球面波。表述二：入

24、射是同心光束时，出射光也是同心光束。表述二：入射是同心光束时，出射光也是同心光束。三、物（像）的虚实三、物（像）的虚实实像：由实际光线相交形成。实像：由实际光线相交形成。虚像：由光线的延长线相交形成。虚像：由光线的延长线相交形成。实物、虚像实物、虚像虚物、虚像虚物、虚像实物、实像实物、实像虚物、实像虚物、实像20第20页，共44页，编辑于2022年，星期六1.3 光路计算与近轴光学系统光路计算与近轴光学系统一、基本概念与符号规则一、基本概念与符号规则设在空间存在如下一个折射球面：设在空间存在如下一个折射球面：-UU21第21页，共44页，编辑于2022年，星期六r r：折射球面曲率半径：折射球

25、面曲率半径o o：顶点：顶点L L：物方截距：物方截距L L：像方截距：像方截距u u：物方孔径角：物方孔径角u u：像方孔径角：像方孔径角符号规则：符号规则：光线方向自左向右光线方向自左向右（1 1）沿轴线段：以顶点）沿轴线段：以顶点O O为原点，光线到光轴交点或球心，顺光线为正，逆光线为原点，光线到光轴交点或球心，顺光线为正，逆光线 为负。为负。（2 2）垂轴线端：光轴以上为正，光轴以下为负。）垂轴线端：光轴以上为正，光轴以下为负。（3 3）光线与光轴夹角：由光轴转向光线锐角，顺时针为正，逆时针为负。）光线与光轴夹角：由光轴转向光线锐角，顺时针为正，逆时针为负。（4 4）光线与折射面法线的

26、夹角：由光线经锐角转向法线，顺时针为正，逆时针）光线与折射面法线的夹角：由光线经锐角转向法线，顺时针为正，逆时针 为负。为负。（5 5）光轴与法线的夹角：有光轴经锐角转向法线，顺时针为正逆时针为负。）光轴与法线的夹角：有光轴经锐角转向法线，顺时针为正逆时针为负。（6 6）折射面间隔）折射面间隔:d:d有前一面顶点到后一面顶点方向，顺光线方向为正，逆光线有前一面顶点到后一面顶点方向，顺光线方向为正，逆光线 方向为负。方向为负。22第22页，共44页，编辑于2022年，星期六二、实际光线的光路计算二、实际光线的光路计算已知：折射球面曲率半径已知：折射球面曲率半径r r，介质折射率为，介质折射率为n

27、 n和和n n，及物方坐标，及物方坐标L L和和U U求：像方求：像方L L和和U U解：解：AECAEC中，中，由折射定律：由折射定律：23第23页，共44页，编辑于2022年，星期六由由A AEC EC 以上公式被称为子午面光线光路计算公式。以上公式被称为子午面光线光路计算公式。说说明明:（1 1）以上即以上即为为子午面内子午面内实际实际光光线线的光路的光路计计算公式，算公式，给给出出U U、L L，可算出，可算出U U、L L，以以A A为顶为顶点，点，2U2U为顶为顶角的角的圆锥圆锥面光面光线线均均汇汇聚于聚于A A点。点。（2 2）由上面推由上面推导导可知：可知：L L=f(L,U)

28、=f(L,U)、U U=g(L,U)=g(L,U)，当，当L L不不变变，只，只U U变变化化时时，L L也也 变变。说说明明“球差球差”的存在。的存在。例：已知一折射球面其例：已知一折射球面其r r36.48mm36.48mm、n=1n=1、n n=1.5163=1.5163轴上点的截距为轴上点的截距为240mm240mm由它发出的一束同心光束，令由它发出的一束同心光束，令U=-1U=-10 0、U=-2U=-20 0、U=-3U=-30 0 的光线，分别求它们经折的光线，分别求它们经折射球面后的光路。射球面后的光路。解解:U=-1:U=-10 0 U U=1.596415=1.596415

29、0 0 L L=150.7065mm=150.7065mm U=-2 U=-20 0 U U=3.291334=3.2913340 0 L L=147.3177mm=147.3177mm U=-3 U=-30 0 U U=5.024484=5.0244840 0 L L=141.6813mm=141.6813mm24第24页，共44页，编辑于2022年，星期六三、近轴光线的光路计算三、近轴光线的光路计算概念：近轴区、近轴光线概念：近轴区、近轴光线 如果将入射光线限制在一个很小的区域内，使孔径角如果将入射光线限制在一个很小的区域内，使孔径角U U很小时，很小时，I I、I I、U U均很小，这样

30、的区域称为近轴区，近轴区的光线称为近轴光线。由近轴均很小，这样的区域称为近轴区，近轴区的光线称为近轴光线。由近轴区内的区内的I I、I I、U U和和U U都很小，可用弧度代替。所有公式：都很小，可用弧度代替。所有公式：iirh如果入射光为平行光，入射如果入射光为平行光，入射角：角：25第25页，共44页，编辑于2022年，星期六(5)(5)式说明：在近轴区式说明：在近轴区l只是只是l 的函数，它不随孔径的函数，它不随孔径u u的变化而变化，轴上物点的变化而变化，轴上物点在近轴区成完善像，这个像点称高斯像点。在近轴区成完善像，这个像点称高斯像点。高斯像面：通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯

31、像面。高斯像面：通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯像面。共轭点：像上面提到的一对构成物象关系的点称为共轭点。共轭点：像上面提到的一对构成物象关系的点称为共轭点。在近在近轴轴区有：区有：lu=lu=h (6)(6)由公式由公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)(1)(2)(3)(4)(5)(6)可推出：可推出：(7)(7)式中式中Q Q称为阿贝不变量，对于单个折射球面物空间与像空间的称为阿贝不变量，对于单个折射球面物空间与像空间的Q Q相等。相等。(8)(8)式表明了物、像孔径角的关系。式表明了物、像孔径角的关系。(9)(9)式表明了物、像位置关系。式表明了物、像位置关系。26第26页，共

32、44页，编辑于2022年，星期六例：已知折射球面例：已知折射球面r=36.48mm，n=1,n=1.5163。物点到球面顶点的距离为。物点到球面顶点的距离为240mm，求象点的位置。，求象点的位置。解解1：由于近轴区成像与：由于近轴区成像与u角无关，计算时可取任意角，今取角无关，计算时可取任意角，今取u=-0.025解解2：27第27页，共44页，编辑于2022年，星期六1.4 1.4 球面光学成像系统球面光学成像系统一、单折射面成像一、单折射面成像对对B B点的物点而言，点的物点而言，BBBB相当于其光轴（辅轴）那么相当于其光轴（辅轴）那么B B一定成像于一定成像于BB点。点。ABAB上每一

33、点都如此，那么，上每一点都如此，那么，ABAB就是就是ABAB的完善像。的完善像。垂轴放大率垂轴放大率28第28页，共44页，编辑于2022年，星期六定义定义y/yABC相似于相似于ABC得得由（由（7）式得：）式得：讨论：讨论：当当n=nn=n时，时，1 1无折射面；无折射面；0物象同方向，物象同方向，y、y同号，正像；同号，正像；0，l l同号物像虚实相反同号物像虚实相反(物像同侧物像同侧)；29第29页，共44页，编辑于2022年，星期六0，ll异号物像虚实相同（物像异侧）；异号物像虚实相同（物像异侧）；放大，放大，缩小；缩小；（二）（二）轴向放大率轴向放大率当物体沿光轴有一微小位移当物

34、体沿光轴有一微小位移dl时，引起像亦有一微小位移时，引起像亦有一微小位移dl;定义定义dl/dl为轴向放大率为轴向放大率;对对微分有微分有;即即讨论讨论:轴向放大率恒为正，物像点向相同方向移动轴向放大率恒为正，物像点向相同方向移动轴向放大率与垂轴放大率不同，空间物体成像时像要变形。轴向放大率与垂轴放大率不同，空间物体成像时像要变形。（三）（三）角放大率角放大率定义定义一对共轭光线与光轴的角之比一对共轭光线与光轴的角之比u/u为角放大率。为角放大率。利用利用lu=lu30第30页，共44页，编辑于2022年，星期六垂轴放大、率轴向放大率、角放大率三者的关系：垂轴放大、率轴向放大率、角放大率三者的

35、关系：由由二、球面反射镜成像二、球面反射镜成像反射是折射的特例，因此令反射是折射的特例，因此令nn，即得到球面镜反射镜的成像关系，即得到球面镜反射镜的成像关系物像位置公式物像位置公式放大率放大率y/y=-l/l dl/dl=-l 2/l2=-2u/u=-1/-20物像沿轴反向物像沿轴反向凹镜成像凹镜成像凸镜成像凸镜成像F31第31页，共44页，编辑于2022年，星期六球面反射镜球面反射镜物的位置物的位置像的位置像的位置像的性质像的性质在在在在F处处实实在在-与与C之间之间在在F与与C之间之间实、倒立、缩小实、倒立、缩小在在C处处在在C处处实、倒立、同大实、倒立、同大凹面反射镜凹面反射镜在在C处

36、与处与F之间之间在在C与与-之间之间实、倒立、放大实、倒立、放大在在F处处在在在在F与球面之间与球面之间在镜后在镜后到镜面之间到镜面之间虚、正立、放大虚、正立、放大在球面在球面在球面在球面虚、正立、同大虚、正立、同大在在在在F处处虚虚凸面凸面在在-与镜面之间与镜面之间在在F处与镜面之间处与镜面之间虚、正立、缩小虚、正立、缩小在镜面在镜面在镜面在镜面虚、正立、同大虚、正立、同大球面镜物象对应关系球面镜物象对应关系32第32页，共44页，编辑于2022年，星期六例例:一凹反射镜所成的像，象高是物高的一凹反射镜所成的像，象高是物高的1/4，当把物体向镜面方向移动，当把物体向镜面方向移动5cm时，则象

37、高时，则象高为物高的为物高的1/2，求此凹面反射镜的焦距。，求此凹面反射镜的焦距。解：当象高为物高的解：当象高为物高的1/4时，设物距为时，设物距为l1,对应的象距为对应的象距为l1；当象高为物高的；当象高为物高的1/2时，物距为时，物距为l1+5,对应的象距为对应的象距为l2。由于。由于，故物必在（，故物必在（，C）范围内，象必在（）范围内，象必在（C,F）内，且是一个倒立、缩小的实像。内，且是一个倒立、缩小的实像。解方程，得解方程，得l1 1=-12.5cm=-12.5cm，l1 1=-3.125cm=-3.125cm，l2 2=-3.75cm=-3.75cm 将上述数据代入最后一式得：将

38、上述数据代入最后一式得：f=-2.5cm=-2.5cm33第33页，共44页，编辑于2022年，星期六三、共轴球面系统三、共轴球面系统我们在前面研究的是单个折射球面的成像问题，作为一个光学系统它是由我们在前面研究的是单个折射球面的成像问题，作为一个光学系统它是由两个或两个以上的单个折射球面组成。为方便研究共轴球面系统我们先研究两个或两个以上的单个折射球面组成。为方便研究共轴球面系统我们先研究两个单个折射球面的成像问题。两个单个折射球面的成像问题。（一）、过渡公式（一）、过渡公式1、两个单个折射球面系统、两个单个折射球面系统-l1l1dl2l2A1A1(A2)A2E1E234第34页，共44页，

39、编辑于2022年，星期六设两个单个折射球面的结构参数（设两个单个折射球面的结构参数（n1、n1、r1、n2、n2、r2)，两球面的间距，两球面的间距d,求求A点通过两个单个折射球面后的像。点通过两个单个折射球面后的像。先考虑入射光线先考虑入射光线AE1经球面经球面折射时的情况，此时可不考虑球面折射时的情况，此时可不考虑球面的存的存在，通过单个折射球面的物象关系公式求出在，通过单个折射球面的物象关系公式求出A1的位置。的位置。在考虑球面在考虑球面，对于，对于E1E2来说时入射光线，其延长线交于光轴来说时入射光线，其延长线交于光轴A1是虚是虚物。物距物。物距l2=l1d（以球面（以球面的顶点计算）

40、，光线的顶点计算），光线E1E2经球面经球面折射后交于光折射后交于光轴轴A2，此时像点为，此时像点为A经过两个单个折射球面后的像的位置。经过两个单个折射球面后的像的位置。对于球面对于球面：对于球面对于球面：考虑到两球面的参数的关系：考虑到两球面的参数的关系：35第35页，共44页，编辑于2022年，星期六2、共轴球面系统、共轴球面系统 前面分析的是两个单个折射球面的成像特征及相应的光路计算前面分析的是两个单个折射球面的成像特征及相应的光路计算。对于由多对于由多个折、反球面构成的共轴光学系统而言只要找到相邻两球面间的光路关系，剩个折、反球面构成的共轴光学系统而言只要找到相邻两球面间的光路关系，剩

41、下的问题就是逐个成像，逐个计算直至求出最终像。下的问题就是逐个成像，逐个计算直至求出最终像。1 1）过渡公式）过渡公式 36第36页，共44页，编辑于2022年，星期六2）成像放大率37第37页，共44页，编辑于2022年，星期六举例举例1：有一厚透镜，其结构参数如下：有一厚透镜，其结构参数如下：n1=1,n1=n2=1.5,n2=1,r1=100mm,r2=70mm,d=5mm。已知一物体，。已知一物体，l1=100mm,y1=20mm,求经厚透镜所成像的象距求经厚透镜所成像的象距l2,象高象高y2和垂轴放大率和垂轴放大率。解：用逐次成像法计算解：用逐次成像法计算 l=300mmA1(A2)

42、-l1l1dl2l2A1A2E1E238第38页，共44页，编辑于2022年，星期六计算第二面计算第二面换面公式：换面公式：l2=l1-d=-300-5=305mm垂轴放大率：垂轴放大率：39第39页，共44页，编辑于2022年，星期六例题例题2 2：有一个玻璃球，直径为：有一个玻璃球，直径为2R2R，折射率为，折射率为1.51.5。一束近轴平行光入射，将会聚于何处？。一束近轴平行光入射，将会聚于何处？若后半球镀银成反射面，光束又将会聚何处？若后半球镀银成反射面，光束又将会聚何处？解：第一种情况：解：第一种情况：第一次成像第一次成像RR/2o140第40页，共44页，编辑于2022年，星期六第

43、二次成像：第二次成像：第二种情况：第二种情况：第一次成像同前一样第一次成像同前一样l13R第二次成像，由于是反射镜，所以：第二次成像，由于是反射镜，所以：第三次成像时，实际光线从右到左，为了利用符号规则，可假设将系统翻转第三次成像时，实际光线从右到左，为了利用符号规则，可假设将系统翻转1800，仍，仍然使光线从左到右，此时然使光线从左到右，此时3RRo2n2=1.5n2=1RR/2R/341第41页，共44页，编辑于2022年，星期六负值是以翻转后求得结果，因此计算完后再将系统翻转回负值是以翻转后求得结果，因此计算完后再将系统翻转回1800。例题例题3：一个直径为：一个直径为400mm，折射率

44、为，折射率为1.5的玻璃球中有两个小气泡，一个位于的玻璃球中有两个小气泡，一个位于球心，另一个位于球心，另一个位于1/2半径处，沿着两气泡连线方向在球的两面观察，问看到的气半径处，沿着两气泡连线方向在球的两面观察，问看到的气泡在何处泡在何处？r1=200mmr2=-200mmABR/3-5R/3O3RR/242第42页，共44页，编辑于2022年，星期六从右侧观察从右侧观察r1=200mmr2=-200mmnnB Aor1=200mmr2=-200mmnnBAo方法一：从左侧观察时，由于光线传播方方法一：从左侧观察时，由于光线传播方向不同，需将系统翻转向不同，需将系统翻转180度。度。解：解：解：解：43第43页，共44页，编辑于2022年，星期六方法二：利用光的可逆性，将物看方法二：利用光的可逆性，将物看成像，不用翻转。成像，不用翻转。r=200mm，n=1,n=1.5lA=200mm,lB=100mmr1=200mmr2=-200mmnnBAo解：解：44第44页，共44页，编辑于2022年，星期六