(精选)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)

光在介质中的速度

直角棱鏡

材質:K9(Bk7)

n=1.5163

Im=41.26°

I=45°

產生反射

二

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 m=n*/n I m--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

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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.

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*)

BFL>BFL*

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3.F/NO (F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)(ω)[视场角 (FOV)(2ω)]

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*tgω 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’/Y0’]×100%

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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 = E’W/E E--像面中心照度 E’W--像面边缘照度

E=1/4×πKL(2a/f*)2 E’W=K1E×Cos4ω’

K—透过率 L---物体位置 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:

λ---波长 a---振幅π---圆周率 t---时间

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u = a Sin[2π(t/T –X/λ)]

T—周期 T=1/ƒƒ—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 nm~770 nm,不同波长给出不同的颜色.如下表:

波长单位: nm

3.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

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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

φ =1/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φ---透镜光焦度

凸透镜f’>0,对光起会聚作用,凹透镜f’<0, 对光起发散作用.

4.厚透镜结构参数公式

φ=1/f’ = (n –1)(1/R1–1/R2)+(n –1)2d/NR1R2

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d---透镜的中心厚度

5.主面位置计算公式

L H’ = - dR2/n (R2– R1)+(n – 1)d 后主面位置

L H = - dR1/n (R2– R1)+(n – 1)d 前主面位置

6．复合光学系统

复合光学系统是由两个或两个以上透镜组成的。

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Δ---光学间隔 d---第一透镜后主面与第二透镜前主面之距离

Φ =Φ1+Φ2+dΦ1Φ2

七. 理想光学系统

没有像差的光学系统称为理想光学系统.实际上只有平面反射镜是理想光学系统.

1.透镜物像关系计算公式

A. 高斯公式

1/L’– 1/L = 1/f’

L—物距 L’---像距f’---像方焦距

B. 牛顿公式

XX’ = f f’

X--- 焦点物距 X’--- 焦点像距

f ---物方焦距f’---像方焦距