光学基本理论 2001-05-15

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1、光学基础理论2001-05-15一.光学基本定律1.光直线传播定律2.光独立传播定律3.光反射定律I**=-II–入射角I**--反射角4.光折射定律nSinI=n*SinI*I–入射角I*--折射角n--折射率(入射空间)n*--折射率(折射空间)n=C/VC–光在真空中的速度V--光在介质中的速度二.全反射在特定条件下,光线在界面能全部反射回去,这叫光的全反射.临界角:SinIm=n*/nIm--临界角当入射角大于临界角时,产生全反射.全反射的用途:1.棱镜2.光纤三.球面与球面系统-1-由二个球面组成一个透镜,一个或多个透镜组成一个镜头,多个镜头和其它光学元件组成

2、一个光学系统.四.与镜头和透镜相关的基本参数1.焦距(EFL)A.物方焦距(f):由前主面到前焦点的距离.B.像方焦距(f*):由后主面到后焦点的距离.Q—前主面Q’---后主面H---前主点H’---后主点F---前焦点F’---后焦点U---物方孔径角U’---像方孔径角焦距公式:f*=h/tgU*f=h/tgU在镜头或透镜中有一对垂轴放大率为+1的二个平面Q和Q’.2.后截距(BFL)A.由镜头或光学系统最后一面到像面的距离为光学后截距(BFL).B.由下座端部到像面的距离为机械后截距(BFL*)BFL>BFL*-2-1.F/NO(F数)F/NO=f*/D入f*-

3、--焦距(EFL)D入---入瞳直径入瞳为光栏经其前方光学系统所成的像.举例:2.半视角(FOV/2)(ω)[视场角(FOV)(2ω)]物镜在其接收元件上成像的空间范围称为视场角.其一半为半视角.Y’=f*tgωY’---像的大小f*---焦距(EFL)-3-1.畸变量(DIST)在视场角较大或者很大时,所产生的像变形称为畸变.DIST=[Y’-Y0’/Y0’]×100%Y’—实际像高Y0’---理想像高2.相对照度(REL)是指像面边缘照度和中心照度之比.REL=E’W/EE--像面中心照度E’W--像面边缘照度E=1/4×πKL(2a/f*)2E’W=K1E×Cos

4、4ω’K—透过率L---物体位置2a/f*---相对孔径(F/NO倒数)K1---渐晕系数3.光学总长(TOTR)是指由镜头第一面到像面的距离.-4-五.波长与颜色1.波长光以波动形式向前传播,光波是电磁波,是电场和磁场的振动,其振动强度有周期性变化.光的传播用正曲线描述,如图:λ---波长a---振幅π---圆周率t---时间u=aSin[2π(t/T–X/λ)]T—周期T=1/ƒƒ—频率X---为t时间沿X轴振动的位置。2．波长与可见光的颜色可见光波长范围：390nm~770nm,不同波长给出不同的颜色.如下表:颜色紫色兰色青色绿色黄色橙色红色波波长41045549

5、0515.6580610717.5波长单位:nm3.光学设计中采用的谱线符号颜色波长λ符号颜色波长λi紫外365.0e绿546.1h紫404.7d黄587.6G紫434.1D黄589.3g兰435.8C’红641.9F’兰479.9C红656.3F兰486.1t红外1014.0-5-六.透镜的种类1.正透镜1--双凸透镜2—平凸透镜3—正弯月透镜2.负透镜1--双凹透镜2—平凹透镜3—负弯月透镜-6-凡中心厚度大于边缘厚度的透镜为正透镜(凸透镜),凡中心厚度小于边缘厚度的透镜为负透镜(凹透镜)..连接透镜二个曲率中心的直线曲率光轴.透镜一般为圆形,其直径称为透镜的孔径.

6、透镜二个表面在光轴上的间隔称为透镜的中心厚度.若透镜的中心厚度与球面曲率半径相比可以忽略,则称为薄透镜.若不可以忽略,则称为厚透镜.3.薄透镜结构参数公式φ=1/f’=(n–1)(1/R1–1/R2)n---透镜材料折射率R1,R2---透镜球面曲率半径f’---透镜焦距φ---透镜光焦度凸透镜f’>0,对光起会聚作用,凹透镜f’<0,对光起发散作用.4.厚透镜结构参数公式φ=1/f’=(n–1)(1/R1–1/R2)+(n–1)2d/NR1R2d---透镜的中心厚度-7-1.主面位置计算公式LH’=-dR2/n(R2–R1)+(n–1)d后主面位置LH=-dR1/n(

7、R2–R1)+(n–1)d前主面位置-8-6．复合光学系统复合光学系统是由两个或两个以上透镜组成的。Δ---光学间隔d---第一透镜后主面与第二透镜前主面之距离Φ=Φ1+Φ2+dΦ1Φ2七.理想光学系统没有像差的光学系统称为理想光学系统.实际上只有平面反射镜是理想光学系统.1.透镜物像关系计算公式A.高斯公式1/L’–1/L=1/f’L—物距L’---像距f’---像方焦距B.牛顿公式XX’=ff’X---焦点物距X’---焦点像距f---物方焦距f’---像方焦距-9-C.放大率公式横向放大率(垂轴放大率)β=Y’/Y=L’/L=-X’