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光学成像原理 * * * * 朱 磊 一、几何光学基本定律与成像概念 二、理想光学系统 三、平面与平面系统 四、光学系统中的光束限制 五、像差 几何光学基本定律与成像概念 光就其本质而言是一种电磁波，只是光波波长比普通无线电波的波长要短。 可见光随波长的不同而引起人眼不同的颜色感觉。（单色光与复色光) 通常，我们把能够辐射光能量的物体称为发光体或光源。（光线、波面、光束） 波面可分为平面波、球面波和任意曲面波。（平行光束、同心光束） 几何光学基本定律与成像概念 基本定律 光的直线传播定律。例: 缺点：有局限性，会发生“衍射” 光的独立传播定律。 缺点：没有考虑光的波动性，“干涉” 光的折射定律与反射定律。 光的全反射现象。 条件：①光线从光密介质向光疏介质入射； ②入射角大于临界角 ：“小孔成像” 几何光学基本定律与成像概念 光学系统的主要作用之一是对物体成像。(完善像点，完善像) 光学系统通常是由若干个光学元件（由表面为球面、平面或非球面，期间具有一定折射率的介质构成的）组成。 完善成像条件： 入射波面为球面波时， 出射波面也为球面波。 实像点、虚像点 实像可记录，虚像不能。 几何光学基本定律与成像概念 ㈠垂轴放大率 由 可知： 0,y’与y同号，成正像；反之，成倒像。 0,l’与l同号，物象虚实相反；反之，物象虚实相同。 1, ，成放大像；反之，成缩小像。 几何光学基本定律与成像概念 ㈡轴向放大率 表示光轴上一对共轭点沿轴向的移动量之间的关系，它定义为物体沿光轴作微小移动dl时，所引起的像点移动量dl’与物点移动量dl之比，用 表示轴向放大率： ，它与垂轴放大率的关系为： 由此得出结论： ①折射球面的轴向放大率恒为正。因此，当物体沿轴向移动时，其像点沿光轴同向移动； ②轴向放大率与垂轴放大率不等。因此，空间物体成像时要变形。 几何光学基本定律与成像概念 ㈢角放大率 定义为一对共轭光线与光轴的夹角u’与u之比，即 利用l’u’=lu，得： 我们得到三者之间的关系： 最后得：nuy=n’u’y’=J 这表明，实际光学系统在近轴区成像时，在物象共轭面内，物体大小y、成像光束的孔径角u和物体所在介质折射率n的乘积为一常数J，称为拉赫不变量。它是表征光学系统性能的一个重要参数。 理想光学系统 由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如下的性质： ㈠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图像必位于该平面的共轭相面内；同时，过光轴的任意截面成像性质都是相同的。 ㈡垂直于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。 ㈢如果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，以及轴上的两对共轭面的位置，则其他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。 理想光学系统 在光学系统的应用中，时常将两个或两个以上的光学系统组合在一起使用。 典型光组组合，例如：远摄型光组、反远距型光组、望远系统、显微镜系统等。 透镜：是构成光学系统的最基本单元，由两个折射面包围一种透明介质所形成的光学零件。按其对光线的作用可分为两类：汇聚透镜（正透镜）和发散透镜（负透镜）。 平面与平面系统 平面反射镜：简称平面镜，它是唯一能成完善像的最简单的光学元件，即物体上任意一点发出的同心光束经过平面镜后仍为同心光束。对平面镜而言，实物成虚像，虚像成实像。 平行平板：由两个相互平行的折射平面构成的光学元件，如划分版、测微平板、保护玻璃等。平行板不能成完善像。 反射棱镜： ㈠简单棱镜 一次反射棱镜，例：道威（Dove）棱镜等。 二次反射棱镜,例：半五角棱镜，斜方棱镜等。 三次反射棱镜。(斯密特棱镜) 平面与平面系统 ㈡屋脊棱镜：两个相互垂直的反向面叫屋脊面，带有屋脊面的棱镜叫~。 ㈢立方角锥棱镜：由立方体切下一角形成的。特性：光线以任意方向从底面入射，经过三个直角面依次反射后，出射光线始终平行于入射光线。 ㈣棱镜的组合——复合棱镜 复合棱镜 分光棱镜 分色棱镜 转像棱镜 双像棱镜 平面与平面系统 光线的光路对称于折射棱镜时，折射棱镜的偏向角取得最小值。这证明了折射棱镜的偏向角随入射角变化的过程中存在一个最小偏向角。光学上常用测量折射棱镜最小偏向角的方法来测玻璃折射率。 折射棱镜的工作原理 光楔：折射率很小的棱镜。 当光