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1、光学基本理论光学基础理论 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*= - I I 入射角 I*- 反射角4. 光折射定律 n Sin I = n*Sin I* 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/V C 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: Sin Im=n*/n Im-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

2、头, 多个镜头和其它光学元件组成一个光学系统.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*)BFLBFL* -2- 3. F/NO (F

3、数) F/NO=f*/D入 f *-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:4. 半视角 (FOV/2)()视场角 (FOV)(2)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*tg 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-Y0/Y0100%-3-Y实际像高 Y0-理想像高6. 相对照度(REL)是指像面边缘照度和中心照度之比.REL = EW/E E-像面中心照度 EW-像面边缘照度E=1/4KL(2a/f*)2 EW=K1ECos4K透过率 L-物体位置

4、 2a/f*-相对孔径(F/NO倒数) K1-渐晕系数7. 光学总长(TOTR)是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:-波长 a-振幅 -圆周率 t-时间 -4-u = a Sin2(t/T X/)T周期 T=1/ 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 波长 410455490580610 波长单位: nm3.光学设计中采用的谱线 符 号

5、颜 色波 长 符 号颜 色波 长 i紫 外 e绿 h紫 d 黄 G 紫 D 黄 g 兰 C 红 F 兰 C 红 F 兰 t红 外 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 -5- 2. 负透镜1-双凹透镜 2平凹透镜 3负弯月透镜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 =1/

6、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 -透镜光焦度凸透镜f0,对光起会聚作用, 凹透镜f1,底片颗粒的大小,等等.A-对准平面 B1-远景 B2-近景 P-入瞳中心 P-出瞳中心 -9- 在像平面上得到清晰像的深度称为景深(). = 1+2 = 4afL2Z/ 4a2f2 L2Z22a-入瞳直径 L-对准平面到入瞳的距离Z-允许弥散斑的大小 1 2 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,光线经过时情况如下:=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

7、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 =( n n )/ (n+n )2-反射系数 -10-当n = 时, = 4% ; 当n = 时, = %: 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: 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

8、射损失,折射表面要镀增透膜.这样一来反射系数可降到 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=(1 )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: K2 举例:银=,铝=,全反射面=1. 4.光学材料内部的吸收损失 用-吸收率来表示.光的透过率为( 1 ). -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=%) 5.光学系统的透过率

9、 K=K1K2(1 )d -11-十. 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,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

10、 -12-B.光栏在后 C. 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A.计算公式: i=(l-r/r)u i=(n/n)i u=u+i-i l=(ri/u) +r B.转面公式: nK=nK-1 uK=uK-1 lK=lK-1-dK-1 C.校对公式: h=l

11、u=lu D. l= 时, i1=h1/r1 -13-(2). 轴外点近轴光线的光路计算公式 A. uZ=Y/lZ-lB. Y= (lZ - l)uZ2. 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: LK=LK-1-dK-1 UK=UK-1 nK=nK-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 -14-