8-2理想光学系统的物像关系
光学教程(叶玉堂)第2章 理想光学系
h1 f tan uk
2、截距计算法
l1l2 lk h1 f tan uk l2l3 lk
§2.5 单透镜
一、单个折射球面的主点 1、物方主点H，像方 主点Hˊ和球面顶 点O相重合，而且 物方和像方主平面 切于球面顶点O。 单个折射球面的基点与基面
二、单透镜的基点与基面
各种透镜的基点位置具体分析
双凸透镜
当d<n(r1-r2)/(n-1)时，f ˊ >0 透镜是会聚的，两主平面总 位于透镜内部； 当d=n(r1-r2)/(n-1)时，fˊ=∞， 相当于一个望远镜系统； 双凸透镜 当d>n(r1-r2)/(n-1)时，fˊ<0 ， 透镜是发散的。非常厚，一般不采用这种结构
1111111001iii???iiii???ii?iiii?iiinu?nunu?nudyduyyyn?????????????????????????????????????1100?????????nuy3传递矩阵11iii?ii?imdmddn???????其中12111111111?111010111111010101011kkkk?k??kkkaaaaddnnbabcmrdrdrmtmaddtc????????????????????????????????????????????????????????????????其中nuy二物像矩阵1物像矩阵的定义
物方焦距和像方焦距
h f tan u
h f tan u
一对主点和一对焦点构成基点，一对平面和一对 焦平面构成基面。
§2.2 理想光学系统的物像关系
一、图解法求像 1、已知主点和焦点，求成像的例子 过B点作两条入射光线，一条平行于光轴，另 一条过物方焦点。如图所示
第2章 理想光学系统
如果已知共轴光 学系统的一对主 平面和两个焦点 的位置，就能根 据它们找出物空 间任意物点的像！
理想光组可有任意多个折、反射球面或多个光组组成。 寻找理想光组的特征点、面——基点、基面，就可以代 表整个光组的光学特性，用以讨论成像规律。
※ 若 f ’ >0，为正光组（会聚光组） 若 f ’ <0，为负光组（发散光组）
B
F
H
B H
F
•
•
节点就是主轴上角 放大率正1（=+1） 的物像共轭点。 通过节点的光线方 向不变。
H
H
P
u
P
A
• •• •M M
K K
A
u
•
若：光学系统在空气中(光学系统两边介质 相同)， 由亥姆霍兹—拉格朗日定理可知 当 =1 时， =1 。
因此：这时两节点分别与两主点重合。
• 总能找到：在像方折射光 线中一定有一条光线与入 P 射光线平行,即u = u 。 • 根据主平面的性质，存在一对共轭点M、M' • 即入射光线PAM与出射光线M'B'F'平行，并且共轭。 （过M点只有一条光线平行于光束。）
A
M
• • M K
u
F
• 节点：这两条光线的延长线与光轴的交点K和 K'，分别称为物方节点和像方节点。
B A’ 2F ’ F’ H
H’
F
A 2F
B’
作图题都要写出作图步骤
第三节:理想光学系统的物像关系 3.解析法求像： x—以物方焦点 为原点的物距。 称为焦物距。 以F为起始点， x 方向与光线方向 一致为正。（图 中为-）
11
三、基点、基面的概念
03 理想光学系统(1)
x—以物方焦点为原点 的物距。称为焦物距。
以F为起始点， x方向与 光线方向一致为正。 （图中为-）
B
y A
Q
Q'
H H'
F
F'
A'
-y'
R R'
x’—以像方焦点为原点的 像距。称为焦像距。
以F ’为起始点， x’方向 与光线方向一致为正。 （图中为+）
反之为负（图中-）
B'
-x -l
-f
理想光学系统（1）
提纲
一、理想光学系统的物象关系
二、理想光学系统的三种放大率 三、系统的焦距关系及光焦度
四、理想光学系统的图解求像
前言
理想光学系统的基本概念：焦点、焦平面、主点、主平面 A E Q’ E’ U’ F’
h
H’
f’
F ’ 就是无限远轴上物点的像点，称像方焦点 过F ’ 点作垂直于光轴的平面，称为像方焦平面 它是无限远处垂直于光轴的物平面的共轭像平面 则Q’H’平面称为像方主平面，H’称为像方主点 从像方主点H’ 到像方焦点F ’ 之间的距离称为像方焦距，用 f ’ 表示
-f
f' l'
x'
由相似三角形Q’H’F’和 F’A’B’
y f y x
y x y f
一、理想光学系统的物象关系
B Q F Q' H H' F' A' -y' R R' B'
y A
-x
-l
由以上两式得：
-f
f' l'
x'
xx ff
以焦点为原点的物像位置公式， 通常称为牛顿公式
工程光学知识点整理
工程光学课件总结班级:姓名:学号:目录第一章几何光学基本原理 (1)第一节光学发展历史 (1)第二节光线和光波 (1)第三节几何光学基本定律 (3)第四节光学系统的物象概念 (6)第二章共轴球面光学系统 (7)第一节符号规则 (7)第二节物体经过单个折射球面的成像 (8)第三节近轴区域的物像放大率 (10)第四节共轴球面系统成像 (12)第二章理想光学系统 (14)第一节理想光学系统的共线理论 (14)第二节无限远轴上物点与其对应像点F’---像方焦点 (14)第三节理想光学系统的物像关系 1, 作图法求像 (17)第四节理想光学系统的多光组成像 (22)第五节实际光学系统的基点和基面 (25)第六节习题 (27)第四章平面系统 (27)第一节平面镜 (27)第二节反射棱镜 (28)第三节平行平面板 (29)第四节习题 (30)第五章光学系统的光束限制 (31)第一节概述 (31)第二节孔径光栅 (33)第三节视场光栅 (34)第四节景深 (35)第五节习题 (35)第八章典型光学系统 (36)第一节眼睛的光学成像特性 (36)第二节放大镜 (39)第三节显微镜系统 (41)第四节望远镜系统 (45)第五节目镜 (46)第六节摄影系统 (48)第七节投影系统 (49)第八节光学系统外形尺寸计算 (50)第九节光学测微原理 (53)第一章几何光学基本原理光和人类的生产活动和生活有着十分密切的关系, 光学是人类最古老的科学之一。
对光的每一种描述都只是光的真实情况的一种近似。
研究光的科学被称为“光学”（optics）, 可以分为三个分支:几何光学物理光学量子光学第一节光学发展历史1，公元前300年, 欧几里得论述了光的直线传播和反射定律。
2，公元前130年, 托勒密列出了几种介质的入射角和反射角。
3，1100年, 阿拉伯人发明了玻璃透镜。
4，13世纪, 眼镜开始流行。
5，1595年, 荷兰著名磨镜师姜森发明了第一个简陋的显微镜。
光学系统
第一节 理想光学系统与共线成像理论
理想光学系统理论在1841年由高斯提出，1893年阿 贝发展了理想光学系统理论。 理想光学系统理论——高斯光学 对于实际使用的共轴光学系统，由于系统的对称 性，共轴理想光学系统所成的像还有以下性质： （1）位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位 于光轴上；位于过光轴的某一个截面内的物点对应 的共轭像点必位于该平面的共轭像面内；过光轴的 任意截面成像性质都是一样的。因此可以用过光轴 的截面代表一个共轴系统。
共轴理想光学系统所成像的性质
（2）垂直与光轴的平面物所成的共轭平面像的几何 形状完全与物相似，也就是说在整个物平面上无论 哪一部分，物和像的大小比例等于常数。像和物的 大小之比称为“放大率”，对于共轴理想光学系统 来说，垂直于光轴的同一平面上的各个部分具有相 同的放大率。 （3）一个光学系统，如果已知两对共轭面的位置和 放大率；一对共轭面的位置和放大率以及轴上的两 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来表示。
第一节 理想光学系统与共线成像理论
理想光学系统——像与物是完全相似的
这种“共线成像”理论的初始几何定义可归纳为：
第一节 理想光学系统与共线成像理论
理想光学系统——像与物是完全相似的 物空间 像空间 点 共轭点 直线 共轭直线 直线上的点 共轭直线上的共轭点 任一平面 一共轭平面
同样：物空间中每一同心光束在像空间中均有一共轭 同心光束与之对应。 简单的说：物空间的任一点、线、面都有与之相共轭 的点、线、面存在，且是唯一的。
第二节 理想光学系统的基点与基面
这些已知的共轭面和共轭点为共轴光学系统的 “基面”和“基点”。 基点就是一些特殊的点，基面就是一些特殊的面。 正是这些特殊的点与面的存在，从而使理想光学系 统的特性有了充分体现，只有掌握了这些基点基面 的特性，才能够分析计算理想光学系统。 基点：物方焦点，像方焦点；物方主点，像方主 点；物方节点，像方节点。 基面：物方主面，像方主面；物方焦面，像方焦 面。
理想光学系统
理想光学系统：通常把物、像空间符合“点对应点，直线对应直线，平面对应平面”关系的像称为理想像，把成像符合上述关系的光学系统称为理想光学系统。
1、由于系统的对称性，可以用一个过光轴的截面来代表一个共轴系统。
2、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。
所以对共轴理想光学系统来说，垂直于光轴的同一平面上的各部分具有相同的放大率。
3、共轴理想光学系统的成像性质可以用这些已知的共轭面和共轭点确来表示。
开卜勒望远镜：采用正光焦度目镜的望远镜，视放大率为负值（T<0）。
所以正立的物体成倒立的像，观察和瞄准极不方便，通常加入棱镜或透镜式倒像系统，使像正立。
开卜勒望远镜在物镜和目镜之间有中间实像，可以安装分划板，使像和分划板上的刻线进行比较，便于瞄准和测量，特别适合军用。
伽利略望远镜：采用负光焦度目镜的系统，视放大率为正值（T>0）。
成正像。
不必加倒像系统，但这种系统物镜的像方焦平面在目镜后方，系统中无法安装分划板，不适合军用。
另外它的视放大率受到物镜口径的限制，也不可能很大，一般在2-3倍左右，常用作观剧镜。
平面镜棱镜系统的主要作用1、将共轴系统折叠以缩小仪器的体积和减轻仪器的重量；2、改变像的方向——起倒像使用；3、改变共轴系统中光轴的位置和方向——即形成潜望高或使光轴转一定的角度；4、利用平面镜或棱镜的旋转，可连续改变系统光轴的方向，以扩大观察范围。
屋脊棱镜为了获得和物相似的像，可以用两个互相垂直的发射面代替其中的某一个反射面。
这种两个互相垂直的反射面叫屋脊面，带有屋脊面的棱镜叫屋脊棱镜。
屋脊面的作用就是在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下，增加一次反射，使系统总的反射次数由奇数变成偶数，从而打到物像相似的要求。
孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径的光阑视场光阑：限制成像范围的光阑入射窗：视场光阑在物空间的像出射窗：在像空间的像出瞳：孔径光阑在系统像空间所成的像入瞳：孔径光阑在物空间的共轭像入瞳和出瞳的关系：入瞳和出瞳对整个系统来说显然是物和像的关系。
工程光学第三章知识点
理想光学系统第三章 理想光学系统第一节 理想光学系统的共线理论● 理想光学系统：在任意大的空间内、以任意宽的光束都能成完善像的光学系统 ● 理想光学系统理论又称“高斯光学”，理想光学系统所成的完善像又称“高斯像” ●描述理想光学系统必须满足的物像关系的理论称为“共线理论”共线理论（1）物空间的每一点对应像空间的相应一点，且只对应一点（点对应点）（2）物空间的每一条直线对应像空间的相应直线，且只对应一条直线（直线对应直线） （3）物空间的每一平面对应像空间的相应平面，且只对应一个平面（平面对应平面）● 这种对应关系称为“共轭”，相应的点构成一对共轭点，直线构成一对共轭直线，平面构成一对共轭平面● 推论：物空间某点位于一条直线上，则像空间中该点的共轭点必定也位于这条直线的共轭直线上（点在线上对应点在线上）● 共轴球面系统用结构参数（r 、d 、n ）描述系统 ● 理想光学系统用“基点”和“基面”来描述系统 ● 基点基面就是理想光学系统的特征参数第二节 无限远轴上物点与其对应像点F ’---像方焦点● 设有一理想光学系统● 有一条平行于光轴的光线A1E1入射到这个系统● 在像空间必有一条直线与之共轭，即PkF’，交光轴于F’点●在物空间中平行于光轴入射的光线都将汇聚在F’点上，F’点称为“像方焦点”共轴球面系统焦点、焦平面、主平面示意图焦点、焦平面、主平面示意图● 过F’点作垂直于光轴的平面，称为“像方焦平面” ● 像方焦平面与物方无限远处垂直于光轴的物平面共轭● 物方的任何平行光线若不与光轴平行，表示无限远处的轴外点，将汇聚在像方焦平面上的一点2，无限远的轴上像点和它所对应的物方共轭点F ——物方焦点● 像方平行于光轴的光线，表示像方光轴上的无限远点● 在物方光轴上必定有一点F 与之共轭，F 点称为物方焦点，过F 点的垂轴平面称为物方焦平面 ● 物方焦点F 与像方焦点F’不是一对共轭点3，垂轴放大率β=+1的一对共轭面——主平面● 在光学系统中存在着垂轴放大率β=+1的一对共轭平面，这一对共轭面称为“主平面”即物方主平面和像方主平面● 共轭垂轴平面QH 和Q’H’满足β=+1（因为高度h 相等） ● QH 为物方主平面，Q’ H’为像方主平面 ● H 为物方主点，H’为像方主点 ● 物方主平面QH 与像方主平面Q’H’共轭 ● 物方主点H 与像方主点H’共轭● 对于理想光学系统，不论其实际结构如何，只要知道了主点和焦点的位置，其特性就完全被决定了 4，光学系统焦距● 像方焦距：像方主点H ’到像方焦点F ’的距离f ’ ● 物方焦距：物方主点H 到物方焦点F 的距离f●焦距均以各自的主点为原点，与光线传播方向一致为正，相反为负 光学系统的焦距计算式tan tan h f U h f U '='=焦距包含了光学系统主点和焦点的相对位置，是描述光学系统性质的重要参数 像方焦距f ’>0的光组称为正光组，f ’<0的光组称为负光组无限远轴外物点的共轭像点焦点、焦平面、主平面示意图当光学系统的物方与像方处于同一介质中时，物方焦距与像方焦距数值相等，符号相反f = -f ’单折射球面的主平面和焦点共轴球面系统的成像性质可以用一对主平面和两焦点表示，为此目的，先研究单个折射球面的主平面和焦点位置。
光学教程(叶玉堂著)课后答案下载
光学教程（叶玉堂著）课后答案下载《光学教程》是清华大学出版社xx年出版图书，作者是叶玉堂，饶建珍，肖峻等。
以下是为大家的光学教程（叶玉堂著），仅供大家参考!点击此处下载???光学教程（叶玉堂著）课后答案???本教程以物理光学和应用光学为主体内容。
第1章到第3章为应用光学部分，介绍了几何光学基础知识和光在光学系统中的传播和成像特性，注意介绍了激光系统和红外系统。
第4～8章为物理光学部分，讨论了光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性及光与物质的相互作用，并结合介绍了DWDM、双光子吸收、Raman放大、光学孤子等相关领域的应用和进展;第9章则专门介绍航天光学遥感、自适应光学、红外与微光成像、瞬态光学、光学信息处理、微光学、单片光电集成等光学新技术。
第一篇应用光学第1章几何光学基础1.1几何光学的基本定律1.2物像基本概念1.3球面和球面系统1.4平面与平面系统1.5光学材料例题习题第2章理想光学系统2.1理想光学系统的基本特性、基点和基面 2.2理想光学系统的物像关系2.3理想光学系统的放大率2.4理想光学系统的组合2.5单透镜2.6光学系统中的光束限制2.7像差概述2.8波像差2.9矩阵运算在几何光学中的应用例题习题第3章光学仪器的基本原理3.1眼睛3.2放大镜3.3显微镜3.4望远镜3.5摄影系统3.6现代光学系统习题第二篇物理光学第4章光的电磁理论4.1电磁波谱电磁场基本方程4.2光波在各向同性介质中的传播 4.3光波的偏振特性4.4光波在介质界面上的反射和折射 4.5光波场的频率谱4.6球面光波和柱面光波例题习题第5章光的干涉5.1光干涉的条件5.2双光束干涉5.3多光束干涉5.4光学薄膜5.5典型的干涉仪及其应用5.6光的相干性例题习题第6章光的衍射6.1光的衍射现象6.2衍射的基本原理6.3夫琅禾费衍射6.4光学成像系统的衍射和分辨本领 6.5夫琅禾费多缝衍射6.6衍射光栅6.7菲涅耳衍射6.8全息术例题习题第7章晶体光学7.1介电张量7.2单色平面波在晶体中的传播7.3单轴晶体和双轴晶体的光学性质 7.4晶体光学性质的图形表示7.5平面波在晶体表面的反射和折射 7.6偏振器和补偿器7.7偏振光和偏振器件的琼斯矩阵 7.8偏振光的干涉7.9电光效应7.10声光效应7.11旋光现象7.12磁致旋光效应例题习题第8章光的吸收、色散和散射8.1光与物质相互作用的经典理论8.2光的吸收8.3光的色散8.4光的散射例题习题第9章现代光学技术简介9.1航天光学遥感9.2自适应光学9.3红外与微光成像9.4瞬态光学9.5光学信息处理9.6微光学9.7单片光电集成习题答案参考文献主题索引1.阳光大学生网课后答案下载合集2.光学教程叶玉堂饶建珍课后答案清华大学出版社3.光学教程第三版姚启钧著课后习题答案高等教育出版社4.光学教程郭永康鲍培谛课后答案四川大学出版社。
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四,理想光学系统基点的位置关系—物像关系
由节平面间γ=1
FJ = f ' , J ' F ' = f HJ = H ' J ' = f '+ f
f'
F'
-f
f'
物像空间折射率相同时, 物像空间折射率相同时, 主点和节点重合
F
H(J)
H'(J') F'
-f
f'
五,理想光学系统节点的实验室测量—物像关系
例题— 例题 物像关系
例2 一理想光学系统基点关系及物体的相对位
置如图所示,试求物体像的位置和大小. 置如图所示,试求物体像的位置和大小.
1cm
F H J H'
100cm
50cm
10cm
例题— 例题 物像关系
一个光学系统处于空气中, 例3 一个光学系统处于空气中,两焦点距离为 1140mm,对实物成像时,β=-10,物面到像 ,对实物成像时, , 面的距离为7200mm,求该光学系统的焦距. 面的距离为 ,求该光学系统的焦距.
-f
f'
h'
2,平行光线法(n=n') ,平行光线法( )
例题— 例题 物像关系
有一理想光学系统位于空气中, 例1 有一理想光学系统位于空气中,其光焦 度为10D,当焦物距x=- ,当焦物距 =- =-100mm,物高 = 度为 ,物高y= 40mm时,试分别用 时 试分别用Newton和Guass成像公式 和 成像公式 求像的位置和大小, 求像的位置和大小,以及轴向放大率和角放 大率. 大率.
xx' = ff '
(2) 高斯成像公式
-x -l
-f
f' l'
x'
f' f + =1 l' l
物像公式用图
二,焦距关系—物像关系 焦距关系
从图可得
B y A F -u H H' F' u' A' -y' B'
yf tan(u ) = y' f ' tan(u ' )
近轴区近似有
yfu = y ' f ' u'
结合近轴区拉赫不变量
-x -l
-f
f' l'
x'
nyu = n' y ' u '
可得
f' n' = f n
n' n = = f' f
三,放大率—物像关系 放大率
1,垂轴放大率β ,
y' x' f nl ' β = = = = y f' x n' l
y A F B -u H H' F' u' A' -y' B'
8.2 理想光学系统的物像关系
一,物像公式 二,焦距关系 三,放大率
1,垂轴放大率β 2,轴向放大率α 3,角放大率γ
四,理想光学系统基点的位置关系 五,理想光学系统节点的实验室测量 六,实际光学系统中焦距的测量
例题与作业
物像公式— 一,物像公式 物像关系
(1) 牛顿成像公式
B y A F H H' F' A' -y' B'
导轨(原始光轴 导轨 原始光轴) 原始光轴
六,实际光学系统中焦距的测量—物像关系
1,两次成像法 ,
x
F H J H' J' F'
-f
f'
x'
f ' = x' /( β1 β 2 )
f = x /(1 / β1 1 / β 2 )
f ' = h ' / tan( U )
-U
F H(J) H'(J') F'
2,轴向放大率α ,
dl ' x' nl ' α= = = 2 dl x n' l
2
-x -l
-f
f' l'
x'
3,角放大率γ ,
tan u' l x f = = = γ= tan u l ' f ' x '
4,放大率关系 α = n' β 2 / n, γ = n /( n ' β ), αγ = β ,
作业— 作业 物像关系
1, 8-7 , -
�