工程光学基础复习

第一章第一节基本原理几何光学四个基本定律1）直线传播2）独立传播3）折射定律sinsinnInI；全反射：光密进入光疏，临界角sinmInn4）反射定律II，等效于nn时的折射定律光线传播的可逆性光程：几何路径与介质折射率的乘积，snl费马原理：光从一点传播到另一点，光程导数为零（极大、极小、或常数）。第二节成像完善成像：同心光束经光学系统后仍为同心光束；点物成点像。该光学系统称为理想光学系统。物、像、虚、实进入光学系统前为物方，经过光学系统后为像方；物方同心光束的汇聚点在物方则为实，否则为虚；像方虚实同理。第三节光路计算与近轴折射球面基本概念：球心、曲率半径、光轴、球面顶点、子午面、（弧矢面、主光线、上光线、下光线、辅轴）、两种介质折射率子午面内光线位置：截距,LL、孔径角,UU单个球面（能够进行光线计算，尤其是近轴条件下的光线计算）：近轴光线（sin）（1-19）~（1-22）单个折射球面物像位置关系：nnnnllr第四节球面光学系统单个折射球面垂轴放大率：ynlynl；某一对共轭平面上像的大小与物的大小的比值。沿轴放大率：222dlnlndlnln；沿光轴方向像点移动量与物点移动量的比值。角放大率：1ulnuln；某一对共轭光线像方孔径角与物方孔径角的比值。三者关系：共轴球面系统：过渡公式-能够利用过渡公式和单个球面光线计算公式进行光路计算（如课后题16）第二章理想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：点物→点像；同心光束→同心光束；球面波→球面波共轴理想光学系统：1）对称性-子午面表示整个光学系统；2）轴上物点→轴上像点；3）物直线（物面）垂直光轴→像直线（像面）垂直光轴；4）一对垂直光轴的共轭面具有相同的垂轴放大率。物点→像点1）两对共轭面的位置和放大率2）一对共轭面的位置和放大率，及轴上两对共轭点的位置第二节基点与基面焦点：无穷远点的共轭点；主平面：垂轴放大率为+1的一对共轭面；节点：角放大率为+1的一对共轭点。根据一对主平面和一对焦点可以确定任意物点的共轭像点位置。第三、四节物像关系与放大率图解法根据一对主平面和一对焦点可以确定任意物点的共轭像点位置。解析法牛顿公式高斯公式xxfffxxfxxxfxf221ffllflflflflll第五节理想光学系统组合放大率：123k两个光组组合：22Fffx：Fx是由F到2F的距离11Fffx：Fx是由F到1F的距离12fff：组合系统像方焦距12fff：组合系统物方焦距正切计算法：经过第i个光学系统：tantaniiiiiiUUhfhh第i个到第i+1个：11tantantaniiiiiiUUhhdU组合系统的焦距：1tankfhU组合系统像方主点到最后一个光组的像方主点kH的距离：tanfkklhU第六节透镜单个折射球面（近轴近似条件）焦点：nrfnn；nrfnn主点：物方主平面、像方主平面重合，位于球面顶点的切面第三章平面与平面系统平面镜物像关系nn；ll1ynlynl；2221dlnlndlnln旋转特性：2；为光线偏转角度，为平面反射镜偏转角度双平面镜：2；为两个平面镜夹角棱镜-全反射棱镜折射棱镜与光楔最小偏向角m满足：sinsin22mn第四章光阑与光束限制光阑：限制成像光束和成像范围的器件孔径光阑，入射光瞳，出射光瞳视场光阑，入射窗，出射窗视场与视场角光阑判断方式：向前成像，对轴上一点光束最宽的是入瞳，对应的是孔径光阑，然后其余的对入瞳的张角最小的为入窗，对应的为视场光阑，其余的光阑有可能为渐晕光阑。渐晕现象：轴外点成像光束宽度小于轴上点成像光束宽度渐晕系数：DKD（光束宽度的比值）物方远心光路：孔径光阑位于像方焦平面，应用于测量大小像方远心光路：孔径光阑位于物方焦平面，应用于测量距离场镜：可用于缩小后续系统的光学元件尺寸景深的概念；景深和焦深计算公式的推导第六章像差理论七种几何像差：球差、彗差、场曲、像散、畸变、位置色差、倍率色差每一种像差的含义；初级像差与孔径、视场的关系。若用u表示孔径大小，y表示视场大小，则：初级球差2Lu，即与孔径有关初级慧差2,TSKKuy，即与孔径、视场都有关初级场曲2tsxy，即与视场有关初级像散2,tsxxy，即与视场有关初级畸变3zyy，即与视场有关单个折射球面的三对齐明点：1）球面顶点2）曲率中心3）nnLrn；nnLrn齐明透镜（P114例1例2）等晕成像；不晕成像。像差特征曲线：根据曲线得到像差大小宽光束子午慧差（a与b连线中点对于的横坐标值）：12TabKYY；宽光束场曲（a与b连线斜率的倒数）：tantanabTabYYXUU；细光束场曲：zB处切线斜率的倒数。第七章典型光学系统眼睛结构对应的光学系统中的孔径光阑：眼瞳非正常眼特点；非正常矫正：近视-负透镜；远视-正透镜；散光-柱面镜明视距离D=250mm人眼光谱范围：400~700nm，最敏感555nm放大镜-视觉放大率：ieyy放大镜标注的视觉放大率0250f，物体位于放大镜前焦面，眼睛调焦无穷远不同渐晕系数时，物方视场、像方视场角的计算方法（P139图7-9）显微镜：物镜、目镜组成显微镜视觉放大率：250ef其中为物镜的垂轴放大率，e为目镜的视觉放大率，f为整个显微系统的等效像方焦距；数值孔径：sinNAnU；显微镜分辨率：瑞利判据0.61NA；道威判据0.5NA；望远镜-视觉放大率：tantanoeff，其中of为物镜焦距，ef为目镜焦距；开普勒望远镜：两个正透镜组成，成倒像，系统长，有中间实像面伽利略望远镜：一正一负，成正像，系统短，无中间实像面第十一章光的电磁理论基础第一节平面电磁波基本量：频率、波长、振幅、初相位coszEAtv，平面电磁波的表示：coscoscoscoscosEAkrtAkxyzt电磁波性质：Ek；Bk；EB；EBk；EBC；,EB同相第二节电介质表面的反射与折射s波、p波的概念反射光与透射光的传输方向（反射定律折射定律）：sinsinnInI；II振幅反射比透射比（菲涅耳公式）：11221122coscoscoscossnnrnn；st；pr；pt能量反射比透射比：222211cos;cosnrtn全偏振现象：122，此时反射光全为s光，1为起偏角或布儒斯特角第四节吸收散射郎伯定律：0lIIe四种散射：瑞利、米氏、拉曼、布里渊第五节光波叠加光的叠加原理频率相同，振动方向相同，传播方向相反→驻波频率相同，振动方向垂直→线偏振、椭圆偏振第十二章干涉光波干涉条件：1）振动方向相同；2）频率相同；3）初始相位差恒定1212122cosIIIIIkrr两种方法：分波面、分振幅分波面：杨氏双缝分振幅：等倾干涉、等厚干涉定域条纹；非定域条纹。杨氏双缝：亮条纹Dxmd；暗条纹12Dxmd；条纹间隔Ded；其中D为观察屏到双缝的距离，d为双缝间距条纹可见度MmMmIIKII，扩展光源-空间相干性可见度sinbdKcl；其中b为光源尺寸，d为双缝间隔，l为光源距双缝的距离光源临界宽度clbd；（利用太阳光观测双缝干涉、迈克尔逊测星干涉仪）非单色光-时间相干性可见度sin2kxdKcD相干长度2max；相干时间maxtC等倾干涉（平行平板）特点：点光源或扩展光源照明；使用扩展光源，条纹对比度不下降；定域干涉同级条纹：222212cos2sin22nhhnn角间距：1212nnh等厚干涉（楔形板）：平行光垂直照明亮纹对应的厚度：122hmn；暗纹对应的厚度：2hmn相邻条纹对应的厚度变化2hn；楔角2ne，其中e为相邻条纹间隔→斐索干涉仪：测细丝直径，测平板的平面度迈克尔逊干涉仪：等倾、等厚等倾：减小等效平板厚度Δh，条纹向中心收缩N个，厚度变化2hN等厚：减小等效平板厚度Δh，条纹向较厚方向移动N个，厚度变化2hN第十三章衍射惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳-基尔霍夫衍射公式巴比涅原理：两个互补屏单独产生的衍射场的复振幅之和等于没有屏时的复振幅abEEE菲涅耳衍射公式：221122221111211112221111,,,ikikzxxyyzxyikikikzixyxyxyzzzzeExyExyedxdyizeeExyeedxdyiz夫琅和费近似条件：2211max2xykz夫琅和费衍射公式：2211221111,,xyikikzixyxyzzzeExyeExyedxdyiz观测夫琅禾费衍射的方式：夫琅禾费近似；透镜后焦面菲涅耳波带片（菲涅耳透镜）：遮住全部偶数波段或遮住全部奇数波带典型孔径夫琅禾费衍射矩形孔（大小为ab）：1111,xytxyrectrectab220,sinsinaxbyIxyIccff中心亮斑大小22ffab狭缝（宽度为a）：111,xtxyrecta20,sinaxIxyIcf；暗纹：fxma；暗纹间隔fa多缝（缝宽a，相邻缝中心间隔d）：222222sin2,sinsin2NaaxIxycff；其中kxdf亮条纹位置（主极大位置）fxmd，又称为光栅方程亮纹间隔fed缺级：若dmna，则第m级亮纹消失圆孔（半径为a）：111,xtxycirca2102JZIIZ，其中0I为中心点光强，karZf爱里斑：中心亮斑，半径00.61fra