理想光学系统

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1、工程光学石家庄铁道大学机械工程学院第二章理想光学系统PerfectOpticalSystem光学系统的具体结构（r、d、n）实际光学系统与高斯（近轴）光学系统研究光学系统成像的目的在于将高斯光学完善成像的理论推广到任意大的空间，本章的主要内容即介绍建立在高斯光学之上的所谓理想光学系统，并研究理想光学系统的主要光学参数、成像关系、放大率以及光组组合和透镜。总第三讲本章主要内容本章分共六节理想光学系统与共线成像理论理想光学系统的基点与基面理想光学系统的物像关系理想光学系统的放大率理想光学系统的组合透镜总第三讲第一节　　理想光学系统与共线成像理

2、论1、光学系统：由透镜、反射镜、棱镜及光阑等多种光学元件按一定次序组合成的整体。2、理想光学系统：能产生清晰且、与物貌完全相似像的光学系统。如果暂时抛开光学系统的具体结构,而假定光学系统在任意大的空间，以任意宽的光束都能成完善像，则该光学系统为理想光学系统。它是一个理想模型，认为光学系统不仅在近轴条件下可以完善成像，而且对任意宽的光束（任意大的物体）都可以完善成像。一、理想光学系统总第三讲傍轴条件：在共轴球面系统中，若入射光线和出射光线靠近主光轴，且与主光轴的夹角u很小，使sinu≈tgu≈u，cosu≈1近似成立，则相应的光线称为傍轴光

3、线，上述条件称为傍轴条件。在傍轴条件下共轴球面系统可近似看作理想光学系统。高斯光学：理想光学系统理论1841年由德国科学家C.F.高斯提出，故又被称为“高斯光学”，它以傍轴条件下光学系统中物与像之间的一一对应关系为研究对象，故又称傍轴光学。二、傍轴条件与理想光学系统总第三讲实际光学系统中，光束总有一定的宽度，成象范围有一定的大小，因此它一般不满足理想成象条件。实际光学系统只在近轴区域成完善像。平面反射镜是个例外，但其横向放大率恒为1。研究理想光学系统的意义它是作为一个标准而存在的，可用于对所设计的实际系统加以比较、评判。我们可以用理想光学

4、系统成象特性来比较和估计实际光学系统的成象质量。总第三讲理想光学系统具有下述性质 ：①光学系统每一物点对应一像点。从该物点发出的所有入射光线经光学系统后，出射光线均交于其像点。由光的可逆性原理，从原来像点发出的所有光线入射到光学系统后，所有出射光线均交于原来的物点，这一对物、像可互换的点称为共轭点。某条入射光线与对应的出射光线称为共轭光线。物方每条直线对应像方的一条直线，称共轭线；物方每个平面对应像方的一个平面，称为共轭面。这种点对应点、直线对应直线、平面对应平面的成像变换称为共线成像。总第三讲②主光轴上任一点的共轭点仍在主光轴上。过光轴

5、的某一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相同。③任何垂直于主光轴的平面，其共轭面仍与主光轴垂直。对垂直于主光轴的共轭平面，其横向放大率为常量，即物体的各部分具有相同的放大率β，光轴的平面物与其共轭平面像的几何形状完全相似。④一个共轴理想光学系统，若已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率，以及轴上两对共轭点的位置，则其它一切物点的共轭像点都可以根据这些已知的共轭面和共轭点来表示。通常将这些已知的共轭面和共轭点分别称为共轴系统的“基面”和“基点”。总第三讲利用理想光学系统性质④作

6、图已知两对共轭面的位置和放大率图2-3两对共轭面已知的情况总第三讲已知一对共轭面的位置和放大率，以及轴上两对共轭点的位置图2-4已知一对共轭面及两对共轭点的情况总第三讲第二节理想光学系统的基点和基面一、无限远的轴上物(像)点和它对应的像(物)点思考题：物方焦点与像方焦点不是一对共轭点？1、焦点（物方焦点F与、像方焦点F'）特点：所有平行于光轴的入射光（无论其投射的高度如何），经过系统之后都将会聚于F'处，根据光路的可逆性，从F'处发出的光经系统后一定变为平行光。总第三讲如下图所示，h为无限远的轴上物点A发出的一条入射光线的高度。图2-5无

7、限远轴上物点和它对应的像点由图知：因任何光学系统的口径大小有限，即入射光线能进入光学系统的高度相对较小。当物方截距为无穷大时，物方孔径角为零，入射光线与光轴平行．总第三讲图2-６　理想光学系统的(物)像方焦点Ｆ‘为像方焦点，对应像方焦平右；Ｆ为物方焦点，对应物方焦平面．像方焦平面与无限远处垂直于光轴的物平面共轭，物方焦平面与无限远处垂直于光轴的像平面共轭。总第三讲物方焦面：过F点作垂直于光轴的平面。像方焦面：过F'点作垂直于光轴的平面。2、焦平面焦面特点：焦面上一点发出的所有光，经系统后一定变成斜平行光束；而当斜平行光束射入时，一定会会聚

8、于焦面上一点。所以焦面实际上是许多不同方向的光的会聚点的集合。而焦点则是焦面上的最特殊的点，它是平行于光轴的光束的会聚点。总第三讲将与平行入射光线对应的出射光线反向延长，与入射光线交于点Ｑ‘，