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1、光学基础理论一.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*二-II -入射角I*一反射角4. 光折射定律n Sin I二n*Sin I* I -入射角 1*-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: Sin I=n*/nmIm-临界角 当入射角大于临界角时,产生全反射. m全反射的用途:1. 棱镜2.光纤三.球面与球面系统工-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一个光学系统.与镜头和透镜
2、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Q2. 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*)BFLBFL*-2-3. F/NO (F 数)F/NO=f*/D入f *焦距(EFL)吠入瞳直径入瞳为光栏经其前方光学系统所成的像.举例:一r
3、1一iJLJr4. 半视角(F0V/2)3)视场角(F0V)(2s)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二 f*tg3 Y -像的大小 f*-焦距(EFL)5. 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, -Y /Y X100%00-3-Y实际像高Y理想像高06. 相对照度(REL)是指像面边缘照度和中心照度之比.REL = E/EE-像面中心照度 E -像面边缘照度WWE=1/4XnKL (2a/f*) 2E =KEXCos4 3W1K透过率L物体位置2a/f*相对孔径(F/NO倒数)K1-渐晕系数17. 光学总长(TOTR)是
4、指由镜头第一面到像面的距离.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:入波长 a振幅 n圆周率 t时间-4-u = a Sin2n(t/T - X/入)T周期T=1/f f 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：390 nm770 nm,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长410455490580610波长单位: nm3. 光学设计中采用的谱线六.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
5、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. 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e =1/f= (n -1)(1/R - 1/R)12n-透镜材料折射率 R R -透镜球面曲率半径1 , 2f-透镜焦距 e-透镜光焦度凸透镜f o,对光起会聚作用，凹透镜f A12九.平行平板在光学系统中经常用到由两个折射平面构成的玻璃平板 ,光线经过时情况如
6、下:d = p = Y=1玻璃平行平板十.光能损失1 .光能损失的因素A. 光在折射面折射时伴随少量反射损失.B. 材质对光能吸收损失.C. 反射面的损失.D. 光学材质的气泡,杂质,条纹,局部混浊,等等.导致光散射的损失.E. 光学表面磨光不良和庇病造成光的漫反射,严重损失光能.並形成杂 散光,严重影响像质.因此必须对光学材质和光学表面提出严格要求.2. 光在折射表面上的反射损失计算p =( n - n )/ (n+n )2p 一反射系数-10-当n二时p二4% ;当川二时p二%:如果一个光学系统有 10个面,每面平均损失为5%,则总的由于反射造成之光能损失为%.由于反射 损失的结果,会造成
7、:A. 光能损失B. 造成杂散光和杂散光背景,形成鬼影,光环,光晕,对比失真,等等.严重影响像质.为了减少反射损失,折射表面要镀增透膜这样一来反射系数P可降到以下.必须指出折射表面反射损失的光线是不按正常光路行进的杂散光,经各表 面及内壁多次反射后,叠加到像面上,使像的对比度降低,严重影响像质. 镀增透 膜不只是为了减小光能损失,也是为了提高像质.透过率T=(1 -p)3. 镀金属层的反射面之吸收损失镀金属层的反射面不能把入射光通量全部反射,而要吸收一小部分如果有k2个镀金属层的反射面，则其总反射系数为：P K2举例:银P=，铝P二,全反射面P=1.4. 光学材料内部的吸收损失用a 吸收率来表
8、示光的透过率为(1 - a ). a-吸收率为厚度d=1厘米玻璃的吸收损失.光学玻璃的平均吸收率a=%)5. 光学系统的透过率K=t KiXp K2X (1 - a ) id十.光学系统中的光栏1光栏的分类1. 孔径光栏2. 视场光栏3. 消杂光光栏2. 孔径光栏,入瞳,出瞳.A. 孔径光栏-是限制轴上物点成像光束立体角的光栏和控制轴外光束.孔径光栏的位置在某些光学系统中是有特定要求的 .如目视光学系统, 光栏或光栏的像一定要在光学系统的外边,使眼睛的瞳孔与之重合.计量光学 仪器为了达到精确测量, 孔径光栏放在物镜焦平面上.对其他光学系统光栏的 位置是可以任意选择的.但是合理地选取光栏的位置,
9、可以改善轴外点成像质 量和控制光学系统外形尺寸B. 入瞳光栏通过其前面的光学系统所成之像 ,称为入射光瞳,简称入瞳.举例:a. 光栏在前-12-B.光栏在后F.FDC.出瞳光栏通过其后面的光学系统所成之像,称为出射光瞳,简称出瞳.4. 视场光栏,入射窗,出射窗.A. 视场光栏用以限制成像范围的光栏称为视场光栏.B. 入射窗视场光栏通过其前面的光学系统所成之像,称为入射窗.C. 出射窗视场光栏通过其后面的光学系统所成之像,称出射窗.十一.实际光学系统光路计算公式1. 近轴光线的光路计算公式(1).轴上点近轴光线的光路计算公式i=(n/n)i u=u+i-iA.计算公式:i = (l-r/r)ul
10、=l -dK K-1K-1l=(ri/u) +rB.转面公式：njn k-iUk=U k-1C. 校对公式：h=lu=luD. g 时，ii=hi/ri-13-(2).轴外点近轴光线的光路计算公式A. u=Y/l-lZZB. Y= (l - l)uZZDMr-DFlL二-LL 二L2. 轴上点远轴光线的光路计算公式A. Sin I=(L-r/r)SinUB. Sin I=(n/n) Sin IC. U=U+I-ID. L=r+r(Sin I/ SinU)E. 转面公式: L=L -d U=U n=n K K-1 K-1 K K-1 K K-1F. 校对公式: L=LsinU/Cos1/2(I-U)Cos1/2(I-U)/SinU3. 轴外点子午面内的光路计算公式(略)4. 轴外点细光束的光路计算公式(略)5. 空间光线的光路计算公式(略)以上3.4.5.项涉及光学设计专门化内容,这里不于叙述.予飞制作
