4.5.2. Пределы применимости геометрической оптики

Основное приближение геометрической оптики– это приближение коротких длин волн. Геометрическая оптика не описывает распределение светового поля в следующих ситуациях:

• вблизи предмета и изображения в оптических системах, то есть там, где возможна тонкая структура неоднородностей,

• вблизи фокусов пучков.

В этих случаях требуются другие подходы к описанию светового поля, основанные на теории дифракции.

5. Геометрическая теория оптических изображений. Идеальные оптические системы

5.1. Описание оптических систем

5.1.1. Элементы оптических систем

Оптическая система– это совокупностьоптических сред, разделенныхоптическими поверхностями, которые ограничиваютсядиафрагмами. Оптическая система предназначена для формирования изображения путем перераспределения в пространствеэлектромагнитного поля, исходящего из предмета (преобразования световых пучков).

В наиболее общем случае оптическая система может состоять из следующих функциональных элементов:

• оптические среды,

• оптические поверхности,

• зеркала,

• диафрагмы,

• дифракционные оптические элементы.

Оптические среды

Оптические среды– это прозрачные однородные среды с точным значениемпоказателя преломления(с точностью до 4-6 знаков после запятой).

Дисперсия оптических материалов– это зависимость показателя преломления от длины волны.

Параметры оптических сред определяются для стандартных длин волн, называемыхФраунгоферовыми линиями:

– 365 нм	– 587 нм
– 404 нм	– 589 нм
– 434 нм	– 643 нм
– 436 нм	– 656 нм
– 480 нм	– 706 нм
– 486 нм	– 768 нм
– 546 нм

Основными характеристиками стекол являются показатель преломления для основной длины волныиобщая дисперсия, где,– наибольшая и наименьшая длины волн, которые пропускает стекло. В качестве опорных или основных длин волн для видимой области используются: центральная длина волны, крайние длины волн,.

Оптическое стекло характеризуется показателем преломления для основной длины волны (или), а также общей дисперсией(или).

Число Аббе(коэффициент относительной дисперсии):

Чем меньше число Аббе, тем больше дисперсия, то есть сильнее зависимость показателя преломления от длины волны. По числу Аббе оптические стекла делят на две группы кроны () и флинты ().

Оптические поверхности

Оптическая поверхность– это гладкая регулярная поверхность точно известной формы.

Поверхности могут быть плоские, сферические, асферические. Для сферических поверхностей задается один параметр поверхности – радиус кривизны . Плоской поверхностью можно считать сферическую поверхность с радиусом кривизны равным бесконечности. Для плоскости, но условно принято считать, что.

Диафрагмы

Диафрагма– это металлический экран с круглым отверстием. На оптических схемах диафрагмы могут быть заданы явно – диафрагма является самостоятельным элементом оптической системы, или неявно – роль диафрагмы играет край или оправа линзы.

5.1.2. Взаимное расположение элементов в оптической системе Центрированная оптическая система

Центрированная оптическая система– это оптическая система, которая имеет ось симметрии (оптическую ось) и сохраняет все свои свойства при вращении вокруг этой оси.

Для центрированной оптической системы должны выполняться следующие условия:

• все плоские поверхности перпендикулярны оси,

• центры всех сферических поверхностей принадлежат оси,

• все диафрагмы круглые, центры всех диафрагм принадлежат оси,

• все среды либо однородны, либо распределение показателя преломления симметрично относительно оси.

Нумерация элементов оптической системы ведется по ходу луча. Все расстояния между поверхностями (толщины линз или воздушные промежутки) откладываются по оси.