3. Центрированная оптическая система.

Оптическая система представляет собой совокупность оптических деталей, предназначенных для преобразования световых пучков путём преломления и отражения.

Если центры всех оптических поверхностей лежат на одной прямой, называемой оптической осью, то такая система называется центрированной оптической системой.

Любая оптическая система производит преобразование –предмет изображения.

Если каждой точкой предмета соответствует изображение тоже в виде точки и сохраняется геометрическое подобие, то такая система называется идеальной.

Чтобы подчеркнуть тот факт, что точка предмета изображается системой в виде точки, говорят, что это изображение стигматическое (точечное). Такая точка и её изображение называются сопряжёнными.

Пространство, где могут находиться точки предмета, называется пространством предмета.

Точки пространства, в которых может находиться точки изображения, называются пространством изображения.

Большинство реальных оптических систем можно считать идеальными только для параксиальных (приосевых) лучей, т. е. лучей, которые образуют малые углы с оптической осью и с перпендикулярами к оптическим поверхностям.

Свойства центрированных оптических систем можно полностью определить, если задать координальные моменты – передние и задние фокусы, главные и узловые точки, соответствующие плоскости. Если на оптическую систему пустить пучок параллельных лучей, причём параллельных главной оптической оси, то они сойдутся в точке, называемой задним фокусом оптической системы.

Если параллельный пучок лучей направить со стороны изображения, то они сойдутся в точке – переедем фокусом оптической системы.

Задний фокус можно считать изображением сопряжённой бесконечной удалённой точки, находящейся на оптической оси. Передним фокусом можно считать и точку, сопряжённая в которой точка изображения находится на бесконечности ((на оптической оси).

Будем считать все отрезки или предметы, находящиеся выше оси положительными (+), а ниже – отрицательными (-). Существуют две сопряжённые плоскости, обозначенные H и H’, каждая точка одной из которых отображается на другую с линейным увеличением +1.

Точка пересечения главных плоскостей с оптической осью называется главной точкой. Узловыми точками передней N и задней N’ осей называются две сопряжённые точки на оси, обладающие свойствами, что лучи проходящие через них являются параллельными.

Если оптическая система находится в однородной среде, то узловые точки совпадают с соответствующими главными точками, т. е. N-> H и N’->H’.

Задним фокусом расстояния оптической системы будем называть расстояние от задней точки H’ до заднего фокуса F’ и обозначаем f’.

Передним фокусом расстояния будем называть передней точкой Hдо заданного фокуса F и обозначаем f.

4. Формулы оптической системы

Возьмем в простран­стве предметов отрезок , перпендикулярный к оптической оси (рис. 3.1. 11; узлы на рисунке не показаны). Положение этого отрезка можно задать либо расстоянием , отсчитанным от точки до точки , либо расстоянием от до . Величины и , как и фокусные расстояния и являются алгебраическими (на рисун­ках указываются их модули).

П роведем из точки луч 1, параллельный оптической оси. Он пересечет плоскость в точке . В соответствии со свойствами главных плоскостей сопряженный лучу 1 луч 1' должен проходить через сопряженную с точкой точку плоскости . Так как луч 1 параллелен оптической оси, сопряженный с ним луч 1' пройдет через задний фокус . Теперь проведем из точки луч 2, проходящий через передний фокус . Он пересечет плоскость в точке . Сопряженный с ним луч 2' пройдет через сопряженную с точку плоскости и будет параллельным оптической оси. Точка пе­ресечения лучей 1' и 2' представляет собой изображение точки . Изображение , как и отрезок , перпендикулярно к оптиче­ской оси.

Положение изображения можно охарактеризовать либо расстоянием от точки до точки , либо расстоянием от до . Величины и являются алгебраическими. В случае, изображенном на рис. 3.1. 11, они положительны.

Величина , определяющая положение изображения, законо­мерно связана с величиной , определяющей положение предмета, и с фокусными расстояниями и . Для прямоугольных треуголь­ников с общей вершиной в точке (рис. 3.1. 11) можно написать соотношение

.

Аналогично, для треугольников с общей вершиной в точке имеем

.

Объединив оба соотношения, получим что , откуда

. (3.1.27)

Это равенство называется формулой Ньютона. При условии, что , формула Ньютона имеет вид

. (3.1. 28 )

От формулы, связывающей расстояния и предмета и изображения от фокусов системы, легко перейти к формуле, устанавливающей связь между расстояниями и от главных точек. Из рис. 3.1. 11 видно, что (т. е. ), . Подставив эти выражения для и в формулу ( 14 ) и произведя преобразования, получим

. (3.1. 29 )

При выполнении условия формула (3.1.29 ) упрощается следующим образом:

. ( 3.1.30 )

С оотношения ( 3.1.27 ) – ( 3.1.30 ) представляют собой формулы центрированной оптической системы.