郁道银主编-工程光学(知识点)要点汇编

第一章小结（几何光学基本定律与成像概念）1、光线、波面、光束概念。

光线：在几何光学中，我们通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线。

波面：发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。

光束：与波面对应所有光线的集合称为光束。

2、几何光学的基本定律（内容、表达式、现象解释）1）光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播的。

2）光的独立传播定律：不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。

3）反射定律和折射定律（全反射及其应用）：反射定律：1、位于由入射光线和法线所决定的平面内；2、反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角和入射角绝对值相等，符号相反，即1'-1。

全反射：当满足1、光线从光密介质向光疏介质入射，2、入射角大于临界角时，入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生。

sinl m=n7n，其中Im为临界角。

应用：1、用全反射棱镜代替平面反射镜以减少光能损失。

（镀膜平面反射镜只能反射90%左右的入射光能）2、光纤折射定律：1、折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；2、折射角的正弦和入射角的正弦之比与入射角大小无关，仅由两种介质的性质决定。

n'inI 'nsinl 应用：光纤4）光路的可逆性光从A点以AB方向沿一路径S传递，最后在D点以CD方向出射，若光从D点以CD 方向入射，必原路径S传递，在A点以AB方向出射，即光线传播是可逆的。

5）费马原理光从一点传播到另一点，其间无论经历多少次折射和反射，其光程为极值。

（光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的），也叫“光程极端定律”。

6）马吕斯定律光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。

折/反射定律、费马原理和马吕斯定律三者中的任意一个均可以视为几何光学的一个基本定律，而把另外两个作为该基本定律的推论。

3、完善成像条件（3种表述）1）、入射波面为球面波时，出射波面也为球面波；2）、入射光束为同心光束时，出射光束也为同心光束；3）、物点A1及其像点Ak '之间任意二条光路的光程相等。

4、应用光学中的符号规则（6条）1）沿轴线段（L、L'、门：规定光线的传播方向自左至右为正方向，以折射面顶点0为原点。

2）垂轴线段（h）:以光轴为基准，在光轴以上为正，以下为负。

3）光线与光轴的夹角（U、U、:光轴以锐角方向转向光线，顺时针为正，逆时针为负。

4）光线与法线的夹角（I、丨、:光线以锐角方向转向法线，顺时针为正，逆时针为负。

5）光轴与法线的夹角（©）:光轴以锐角方向转向法线，顺时针为正，逆时针为学习-----好资料负。

6）相邻两折射面间隔（d）:由前一面的顶点到后一面的顶点，顺光线方向为正, 逆为负。

5、单个折射球面的光线光路计算公式（近轴、远轴）6、单个折射面的成像公式（定义、公式、意义）1）垂轴放大率"令気判断像的正倒、虚实及缩放。

2）轴向放人率"曙丄用/I I 科3）伽J攵人率/=—=7=ti I U p4）ex ¥ = p5）拉赫不变'K J=n T u,y,=nuy垂轴放大率成像特性：p>0,成正像，虚实相反；仟0,成倒像，虚实相同| （3|>1,放大；| 3<1，缩小。

轴向放大率结论：折射球面的轴向放大率恒为正，轴向放大率与垂轴放大率不等。

角放大率：表示折射球面将光束变宽变细的能力；只与共轭点的位置有关，与光线的孔径角无关。

j = —nsin Z = (£-r)= u+i-i17、球面反射镜成像公式J = u r y J= - uy[-218、共轴球面系统公式（过渡公式、成像放大率公式）第二章小结（理想光学系统）1、什么是理想光学系统？为了系统的讨论物像关系，挖掘出光学系统的基本参量，将物、像与系统件的内在关系揭示出来，可暂时抛开光学系统的具体结构（r,d,n），将一般仅在光学系统的近轴区存在的完善成像，拓展成在任意大的空间中一任意宽的光束都成完善像的理想模型。

简单的说就是物像空间满足“点对应点，直线对应直线，平面对应平面”的光学系统。

2、共轴理想光学系统的成像性质是什么？（3大点）1）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像点必位于该平面的共轭像面内；同时，过光轴的任意截面成像性质都是相同的2）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。

3）如果已知两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。

3、无限远的轴上（外）物点的共轭像点是什么？它发出的光线有何性质？像方焦点；它发出的光线都与光轴平行。

4、无限远的轴上（外）像点的对应物点是什么？物方焦点。

5、物（像）方焦距的计算公式为何？f=h/tanU ' h为平行光线的高度，U为像方孔径角。

6、物方主平面与像方主平面的关系为何？互为共轭。

光学系统的基点及性质？有何用途？一对主点和主平面，一对焦点和焦平面，称为光学系统的基点和基面。

一束平行光线经过系统后交于像方焦平面上一点，物方焦平面上一点光源发射出的光线经过系统后是一组平行光线。

可用直接表示光学系统，便于推断和计算光路。

7、图解法求像的方法？（可选择的典型光线和可利用的性质5条+1条）8、解析法求像方法为何？（牛顿公式、高斯公式）1）牛顿公式：曲=ff2）高斯公式：9、由多个光组组成的理想光学系统的成像公式？（过渡公式）学习-----好资料h二厶―1 _di—t X i = X i-\ ~A』—1A产乙- f：+Z+i0 =毘=址•理…•毘=片角…炼）\ yi乃弘io、理想光学系统两焦距之间的关系?ii、理想光学系统的放大率？（定义、公式、用途、与单个折射面公式的区别和联系）1）轴向放丸率刘dr才住二—01 二一dx d? x2）帘;^大率3）三种放丸率之间的关系ay = fi12、理想光学系统的组合公式为何？正切计算法?1）焦距：f一举门马A A2）光焦度:卩詡+的_如阴0二列+列4）主平面位置:tgU捲13）焦点位置:5）透镜JtP35—P37第三章小结（平面与平面系统） 5 ）正切计算公式:馆U；=电U 厂**2 = *1 -仏 U ；星 U ；=陀u 、= rgU 2 + h lnh 3 = h 2 — d 寸呂 U ；=毎人+乍J313、几种典型的光组组合及其特点（组成、特点和应用）？1）远摄物镜2）反远距型物镜*3｝望远镜4）显徵镜电U ；1、平面光学元件的种类？作用？（4种）平面反射镜，唯一能成完善像的最简单的光学元件，可用于做光杠杆平行平板，平行平板是个无光焦度的光学元件，不使物体放大或缩小，反射棱镜，实现折转光路、转像和扫描等功能。

折射棱镜，改变光线的出射角，可用于放大偏转量。

2、平面镜的成像特点和性质？平面镜的旋转特性？每一点都能成完善像，并且像与物虚实相反。

U "1心仪平面镜转动a,反射光线转动0O 奇数次反射成镜像，偶数次反射成一致像。

3、光学杠杆原理和应用？（测小角度和微位移）从透镜物方焦点发出光线束，经过系统后成平行光束经过微小偏转0的平面镜后反射，再经过系统汇聚在像方焦平面上，测得垂轴距离y,则y=f' tan2 0 =20测杆支点与光轴距离a,移动量x, 0二tan 0 =x/aso, y=（2f7a）x=Kx , K为放大倍数。

4、平行平板的成像特性？（3点）近轴区内的轴向位移公式？平行平板是个无光焦度的光学元件，不使物体放大或缩小，只将像从物位置进行一个轴向平移。

近轴区能成完善像，非近轴区不能成完善像。

A7'=</（l-l/n）5、加平面镜、平行平板的成像计算。

6、反射棱镜的种类（4种）、基本用途、棱镜的主截面、成像方向判别、等效作用与展开。

简单棱镜，改变出射角，增加光程屋脊棱镜，得到与物体一致的像立方角锥棱镜，出射光线平行于入射光线像与物仅发生一个平行平移学习-----好资料复合棱镜，实现特殊功能，如分光、分色、转像、双像等成像方向的判断1 ）、O'z'坐标轴与光轴出射方向一致2）、垂直于主界面的坐标轴O'y'，若有奇数个屋脊面，则像方向与物方向相反；若有偶数个屋脊面，则方向相同3）、平行于主界面的坐标轴O'x',（—个屋脊面当两个反射面）若有奇数个反射面，则像坐标系与物坐标系相反；若有偶数个反射面则相同4）遇到透镜，O'x'、O'y'均转向。

7、折射棱镜的作用？其最小偏向角公式及应用改变光线的出射角，可用于放大偏转量。

§ ~2 ~ _Z7S1112 、土、、、土〜-a为棱镜顶角，3为偏向角。

当光线的光路对称与折射棱镜时，偏向角最小。

已知a,测的最小偏向角3即可求得棱镜的折射率n8、光楔的偏向角公式及其应用（测小角度和微位移）6二a（n — 1）S =2（n1）a cos ©为两光楔相对旋转的角度。

当© =90°时可用于测微小位移，单个棱镜的偏向角S已知，棱镜间距离Az已知, 则垂轴方向的微小位移△ y=Az8=（n-1）aAz9、棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念。

棱镜色散：同一透明介质对于不同波长的单色光具有不同的折射率，故复合光经过棱镜后能被分解成多种不同颜色的光。

色散曲线：将介质的折射率随波长的变化用曲线表示。

白光光谱：狭缝发射出的白光经过透镜准直为平行光，平行光经过棱镜分解为各色光，经过透镜汇聚在焦平面上排列成各种颜色的狭缝像。

10、常用的光学材料有几类？各有何特点？光学玻璃，制造工艺成熟，品种齐全，一般能透过波长为0.35~2.5卩m的各色光，超出波段范围的光会被强烈吸收。

光学晶体，透射波段比光学玻璃宽，应用日益广泛光学塑胶，价格便宜、密度小、重量轻、易于压制成型、成本低、生产效率高和不易破碎等诸多优点，主要缺点是热膨胀系数和折射率的温度系数比光学玻璃大的多，受温度影响大成像质量不稳定。

第四章小结（光学系统中的光阑与光束限制）1、什么是光阑？限制成像光束和成像范围的遮光片称为光阑。

2、什么是孔径光阑（作用）、入瞳、出瞳、孔径角？它们的关系如何？限制轴上物点孔径角大小，并有选择轴外物点成像光束作用的光阑。

入瞳/出瞳：孔径光阑经前/后光学系统在物/像空间所成的像。

孔径角：光轴上的物体点与透镜的有效直径所形成的角度。