工程光学 第二章 理想光学系统.

第一节 理想光学系统与共线成像理论
一、基本概念
2、共轭：
在理想光学系统中，每一个物点对应唯一一个像点， 这种物像对应关系叫做“共轭”。
任意物点经理想光学系统都成完善像点：共轭
3、共线成像： 点对应点、直线对应直线、平面对应平面的成像变换 称之共线成像。
——物像变换为点对点，线对线，面对面的关系。
二、共轴理想光学系统的成像性质
理想光学系统的 像方焦点、焦平面
结论：无限远的轴上物点发出的光线与光轴平行。
第二节 理想光学系统的基点和基面 2、理想光学系统的像方参数
定义：像方焦点、焦平面；像方主点、主平面；像方焦距
A B E’ F’
像方焦平面
像方焦点F’：平行于光轴的入射光线AB通过理想系统后，其出 射光线E’F’与光轴的交点。 共轭物点是无限远处的轴上物点。 像方焦平面：过像方焦点F’且垂直于光轴的平面。 其共轭面为位于无限远处垂直于光轴的物平面。
1、位于光轴上物点的共轭像点必然在光轴上；
位于过光轴的某一截面内的物点对应的共轭像点必位于该平面 内，且在物面的共轭像面内； 垂直于光轴的物平面，它的共轭像平面也必然垂直于光轴； 过光轴的任意截面成像性质都相同。
B O A
A’ O’ B’
二、共轴理想光学系统的成像性质
2、垂直于光轴的平面物与其共轭的平面像几何形状完全 相似。
三、物方主平面与像方主平面间的关系
Q Q’
第二节 理想光学系统的基点和基面
h
F
h
F’
H H’
Q与Q’是一对共轭点，因此物方主平面与像方主平面是一对共轭
面； 由于QH=Q’H’且在光轴同侧，所以主平面的垂轴放大率为+1 。
结论： 物方主平面与像方主平面是一对共轭面；主平面的垂 轴放大率为+1，即：出射光线在像方主平面上的投射高 度一定与入射光线在物方主平面上的投射高度相等。
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 中以任意宽的光束都成完善像的理想模型, 这个理想模 型就是理想光学系统。 理想光学系统理论是在1841年由高斯所提出来的，所 以理想光学系统理论又被称为“高斯光学”（Gaussian Optics）。
——It is the object of axial point that is imaged at infinity.
★ 物方焦点F 物方焦平面； ★ 物方主点H 物方主平面QH； ★ 物方焦距（the first / object focal length）：
h f tan U
——以物方主点H为起算原点
第二节 理想光学系统的基点和基面 2、理想光学系统的像方参数
定义：像方焦点、焦平面；像方主点、主平面；像方焦距
A B E’ Q’ H’
像方Fra Baidu bibliotek平面
F’
像方主点H’：平行于光轴的入射光线AB的延长线，与其出射光 线E’F’反向延长线交于Q’，过Q’作垂直光轴的平面与光轴 的交点H’。 像方主平面：过像方主点H’且垂直于光轴的平面Q’ H’ 。
反映轴外物点偏离光轴的角距离。
第二节 理想光学系统的基点和基面 二、物方焦点 F（the first / object focus）
——It is the object of axial point that is imaged at infinity. 定义：物方焦点、物方焦面、物方主点、物方主面、物方焦距
第二章 理想光学系统
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 理想光学系统与共线成像理论 理想光学系统的基点和基面 理想光学系统的物像关系 理想光学系统的放大率 理想光学系统的组合
第六节
透镜
第一节
理想光学系统与共线成像理论
一、基本概念
—— 任意大的空间、以任意宽的光束都 1、理想光学系统： 成完善像的光学系统。
★ 由已知共轭面的放大率确定出射光线的方向。
（2）已知一对共轭面的位置和放大率，以及轴上另外两对 共轭点的位置 M
B
A
A’ O’ B’
★ 利用光轴上的已知共轭点； ★ 由已知共轭面的放大率确定出射光线的方向。
这些已知的共轭面和共轭点分别称为 共轴系统的
—基点 & 基面
第二节
理想光学系统的基点和基面
即在垂直于光轴的同一平面内，物体的各部分具有相同 的放大率β。
正因如此，在讨论共轴系统的成像性质时，总是取垂直于光 轴的物平面和像平面。
二、共轴理想光学系统的成像性质
3、利用已知的共轭点/面求物像关系
（1）已知两对共轭面的位置和放大率：
O O1
A
O2
B
O1' O' A '
B'
O2'
★ 利用光轴上的已知共轭点；
第二节 理想光学系统的基点和基面 2、理想光学系统的像方参数
定义：像方焦点、焦平面；像方主点、主平面；像方焦距
A h B E’ Q’ H’
U’
f’
F’
像方焦距f’：从像方主点H’到像方焦点F’之间的距离。
其符号遵从符号法则，像方焦距f’的起算原点是像方主点H’ 。
光线AB的投射高度为h，出射光线的孔径角为U’。
h f ' tgU '
2、理想光学系统的像方参数
★ 像方焦点F' 像方焦平面；
★ 像方主点H' 像方主平面Q'H'； ★ 像方焦距（the second / image focal length）：
h f tan U
——以像方主点H'为起算原点
3、无限远轴外物点发出的光线
★ 共轭像点位于像方焦平面上
一、像方焦点F'（the second / image focus）
——Image is formed when the object of axial point is at infinity.
1、无限远轴上物点发出的光线
h tan U L
h lim L tan U 0 L
A B E’ Q Q’ H -f H’
-U
F
h
F’
物方焦距f：从物方主点H到物方焦点F之间的距离。
其符号遵从符号法则，物方焦距f的起算原点是物方主点H 。 入射光线的孔径角为U，出射光线在物方主平面上的投射高度为h。
h f tgU
二、物方焦点F（the first / object focus）
三、物方主平面与像方主平面间的关系
1、主平面的物理意义
★ 共轭面：QH，Q'H' ★ 垂轴放大率为+1