Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

itmo373

.pdf
Скачиваний:
37
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

Передний фокальный отрезок SF – это расстояние от вершины передней поверхности до переднего фокуса.

Если f ′ > 0 , то система называется собирающей или положительной.

Если f ′ < 0, то система рассеивающая или отрицательная.

Переднее и заднее фокусные расстояния не являются абсолютно независимыми, они связаны между собой соотношением:

f ′

= −

n′

 

(5.2.5)

f

n

 

 

Выражение (5.2.5) можно переписать в виде:

 

 

 

 

f ′

 

= −

 

 

f

 

(5.2.6)

 

 

 

 

n′

 

 

n

 

 

 

 

 

 

f ′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

– приведенное или эквивалентное фокусное расстояние.

 

n′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В том случае, если оптическая система находится в однородной среде

(например,

в воздухе) n = n′, а переднее и заднее фокусные расстояния равны

по абсолютной величине

 

 

f

 

=

 

f ′

 

.

 

 

 

 

 

 

 

Оптическая сила оптической системы:

 

 

 

Φ =

n′

 

= −

n

 

(5.2.7)

f ′

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чем больше оптическая сила, тем сильнее оптическая система изменяет

 

 

ход лучей. Если Φ = 0 , то

f ′= ∞ .

 

 

 

5.2.4. Построение изображений

 

 

 

Найдем изображение

 

 

′

 

 

 

A точки A. Для этого необходимо построить хотя

бы два вспомогательных луча, на пересечении которых и будет находиться точка A′ (рис.5.2.5). Вспомогательный луч 1 можно провести через точку A параллельно оптической оси. Тогда в пространстве изображений луч 1′ пройдет через задний фокус оптической системы. Вспомогательный луч 2 можно провести через точку A и передний фокус оптической системы. Тогда в пространстве изображений луч 2′ пойдет параллельно оптической оси. На пересечении лучей 1′ и 2′ будет находиться изображение точки A . Теперь в точке A′ пересекаются все лучи (1 - 2 - 3), выходящие из точки A.

70

H H′

A

1

K1

 

 

2

3

 

 

K3

 

F

K1′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1' F′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K3′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

K2 K2′

2'

 

Рис.5.2.5. Построение изображения точки.

Построим теперь ход луча r (рис.5.2.6).

1 способ. Можно построить вспомогательный луч, параллельный данному и проходящий через передний фокус (луч 1). В пространстве изображений луч 1′ будет идти параллельно оптической оси. Так как лучи r и 1 параллельны в плоскости предметов, то в пространстве изображений они должны пересекаться в задней фокальной плоскости. Следовательно, луч r′ пройдет через точку пересечения луча 1′ и задней фокальной плоскости.

2 способ. Можно построить вспомогательный луч, идущий параллельно оптической оси и проходящий через точку пересечения луча r и передней фокальной плоскости (луч 2 ). Соответствующий ему луч в пространстве изображений (луч 2′) будет проходить через задний фокус. Так как лучи r и 2 пересекаются в передней фокальной плоскости, в пространстве изображений они должны быть параллельными. Следовательно, луч r′ пойдет параллельно лучу 2′.

 

n

H

H ′

n′

 

 

 

r′

 

 

2

 

1'

′

 

 

 

A

 

r

 

2'

y′

−ω

−ω

 

 

F

 

F ′

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Рис.5.2.6. Построение хода луча.

 

5.3. Основные соотношения параксиальной оптики

Основные соотношения параксиальной оптики связывают между собой фокусные расстояния, положение и размеры предмета и изображения, угловое, линейное и продольное увеличения.

71

5.3.1. Вывод зависимости между положением и размером предмета и изображения

 

 

 

f'

z'

 

A

 

K1

K1'

 

 

 

2

1

3'

 

 

 

 

 

 

y

3

 

 

 

 

 

 

 

 

−α

H

H'

α′

O'

O

F

 

 

F'

 

 

 

 

 

1'

y′

 

 

K2

K2'

2'

A'

 

- z

 

 

- f

 

 

 

 

 

- a

 

a'

 

Рис.5.3.1. Схема для вывода основных соотношений параксиальной оптики.

Для вывода зависимости между положением и размером предмета и

изображения воспользуемся рис.5.3.1. OAF подобен

FHK2 , следовательно:

 

 

 

 

y

 

=

 

 

 

− z

, отсюда

y′

= −

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− y′

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ′

 

y

 

 

 

 

 

 

 

Тогда, в соответствии с выражением (5.2.1), линейное увеличение можно

выразить следующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β =

 

y′

= −

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.3.1)

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично, из

 

 

 

 

 

′

′

′

′ ′ ′

 

 

 

подобия треугольников H K1F

 

и F O A

можно

получить выражение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β = −

 

z′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.3.2)

 

 

 

 

 

 

f ′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, увеличение можно выразить как через передние, так и

через и задние отрезки. Отсюда можно получить формулу Ньютона:

 

 

 

 

 

z z′ =

 

 

f f ′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.3.3)

 

 

 

Если

 

 

оптическая

система находится в однородной

среде ( n = n′), то

 

 

 

 

f = − f ′, и формула Ньютона получает вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

z z′ = − f ′2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.3.4)

Выразим z и z′ через фокусные расстояния и передний (−a) и задний (a′) отрезки:

z′ = a′− f ′

72

z = a − f

Тогда выражение (5.3.3) можно записать в виде:

(a − f ) (a′− f ′)= f f ′

После преобразований получим выражение, связывающее фокусные расстояния и передний и задний отрезки (формула отрезков или формула Гаусса):

f ′

+

f

=1

(5.3.5)

a′

 

a

 

 

 

5.3.2. Угловое увеличение и узловые точки

Теперь рассмотрим угловое увеличение, воспользовавшись снова рис.5.3.1. Из OK1H , видно, что:

tg(−α)= −ya =α , отсюда −α = −ya

Аналогично можно вывести выражение:

α′ = ay′

Теперь можно выразить угловое увеличение через соответствующие отрезки (а и а’, z и z’):

 

 

 

W = α′

=

 

y a

 

=

a

=

f + z

 

(5.3.6)

y a′

 

f ′+ z′

 

 

 

 

α

 

 

a′

 

 

 

 

Выразим z′ из формулы Ньютона (5.3.3),

тогда после преобразований

получим выражение для вычисления углового увеличения:

 

 

 

W =

z

=

f

 

 

 

 

 

 

(5.3.7)

f ′

z′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из выражения (5.3.7) следует, что если выбрать плоскости предмета и

 

 

изображения таким образом, что z = f ′ и z′= f ,

то в точках на оптической оси

в пространстве предметов (изображений) угловое увеличение равно единице. Такие точки называются узловыми точками.

Чтобы найти узловые точки N и N ′, от переднего фокуса откладывается заднее фокусное расстояние, а от заднего фокуса откладывается переднее фокусное расстояние (рис.5.3.2). Отрезки NN ′ и HH ′ равны. Если − f ′= f ( n = n′), то узловые точки совпадают с главными точками.

Следствием выражений (5.3.2) и (5.3.7) является следующее соотношение:

β W = −

f

 

=

n

 

(5.3.8)

f ′

n′

 

 

 

73

F

−α

N

H

H ′ f

F′

 

f ′

N ′

α ′

 

 

 

 

 

Рис.5.3.2. Узловые точки.

5.3.3. Частные случаи положения предмета и изображения

Рассмотрим различные положения предмета и изображения (различные z

и z′):

•

z = − f .

Тогда z′ = − f ′, линейное увеличение β =1, следовательно,

 

предмет и изображение – это главные плоскости. Угловое увеличение

 

W = −

f

 

=

n

.

 

 

 

 

 

f ′

 

 

 

 

 

 

 

n′

 

 

 

•

z = f ′. Тогда z′ = f , угловое увеличение W =1, следовательно, предмет

 

и изображение – это узловые точки. Линейное увеличение β = −

f

=

n

.

 

f ′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n′

•

z = f . Тогда z′ = f ′, линейное увеличение β = −1, угловое увеличение

W = ff ′ = − nn′ , следовательно, предмет находится на двойном фокусном

расстоянии, то есть расстояние между предметом и изображением минимально.

• z = 0 . Тогда z′ = ∞, линейное увеличение β = −∞, угловое увеличение W = 0 , следовательно, предмет находится в переднем фокусе, а изображение – в бесконечности.

• z′ = 0 .

Тогда z = −∞, линейное увеличение β = 0,

угловое увеличение

W = ∞,

следовательно, предмет находится на

бесконечности, а

изображение – в заднем фокусе.

 

5.3.4. Связь продольного увеличения с поперечным и угловым

А

l

A

F

F ′

А′

l′

A′

 

 

1

 

 

 

 

1

− z

z1′

1

 

− z

z′

Рис.5.3.3. Связь продольного увеличения с поперечным и угловым.

74

Рассмотрим рис.5.3.3. Длину отрезков l и l′ можно выразить следующим образом:

l = z1 − z l′ = z′− z1′

По определению продольного увеличения (5.2.4):

Q = l′ = z′− z1′ l z1 − z

После преобразований, с учетом выражений (5.3.1) и (5.3.2), получим:

 

 

 

Q = −

 

f ′

 

β β1

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.3.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

– поперечные (линейные) увеличения в точках A′ и A1′.

 

 

 

где β и β1

 

 

 

Или, с учетом выражения (5.2.5):

 

 

 

 

 

Q =

n′

 

β β1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.3.10)

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь

 

 

 

 

рассмотрим продольное увеличение

для

бесконечно малых

отрезков ( l → 0 , l

′

→ 0 ) (по определению это и есть продольное увеличение).

 

В этом случае линейное увеличение в точках A′

и A1′

будет одинаковым,

следовательно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q =

 

n

′

 

β

2

=

f

′

 

β

2

 

(5.3.11)

 

 

 

 

n

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

l→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из выражения (5.3.8) можно получить:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W = −

 

f

β −1 =

 

 

n

 

β −1

 

(5.3.12)

 

 

 

 

f ′

 

n′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если оптическая система находится в однородной среде ( n′ = n ), то:

 

 

 

 

 

 

Q = β 2 , W = β −1

 

 

 

 

 

(5.3.13)

То есть продольное увеличение равно квадрату линейного увеличения, а угловое обратно пропорционально ему.

5.3.5. Диоптрийное исчисление

Диоптрийное исчисление – это измерение продольных отрезков в обратных единицах (диоптриях):

D= a −1 , [дптр]

n

где an – приведенная длина.

Одна диоптрия соответствует приведенному отрезку в 1м. Если отрезок измеряется в мм, то обратный отрезок измеряется в килодиоптриях.

75

Используя формулу отрезков (5.3.5) и выражение (5.2.5) можно получить важное соотношение для приведенных отрезков в пространстве предметов и изображений и оптической силы, измеряемых в диоптриях:

 

n′

=

 

n

+

 

n′

 

 

 

 

 

 

f ′

 

 

a′

 

a

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

D′ = D + Φ

(5.3.14)

где

D и

D′

– приведенные передний и задний отрезки в диоптриях. То

есть оптическая система увеличивает приведенный отрезок в пространстве изображений (в дптр) на величину оптической силы.

5.3.6. Инвариант Лагранжа-Гельмгольца

Инвариант Лагранжа-Гельмгольца связывает линейный размер предмета и угловой размер пучка лучей (рис.5.3.4). Эта величина инвариантна, то есть неизменна в любом пространстве.

n

n′

y

 

−α

α ′

 

y′

Рис.5.3.4. Величины, которые связывает инвариант Лагранжа-Гельмгольца.

Для вывода этого инварианта воспользуемся выражением (5.3.8), связывающим угловое и линейное увеличения. Тогда воспользовавшись выражениями (5.2.1) и (5.2.3), определяющими линейное и угловое увеличения, получим следующее соотношение:

α′ y′

=

n

(5.3.15)

α y

n′

 

 

Выражение (5.3.15) можно преобразовать, и тогда получим инвариант Лагранжа-Гельмгольца:

α y n =α′ y′ n′

(5.3.16)

Инвариант Лагранжа-Гельмгольца характеризует информационную емкость оптической системы, то есть величину пространства, которое может быть отображено оптической системой. Этот инвариант математически выражает закон сохранения информации в геометрической оптике.

76

6. Матричная теория Гауссовой оптики

 

6.1. Преобразование координат лучей оптической системой

Основное действие оптической системы заключается в изменении хода

лучей, которое описывается преобразованиями двух параметров – линейной и

угловой координат луча. Эти преобразования наиболее удобно описывать при

помощи аппарата матричной оптики. Матрица преобразования полностью

описывает распространение лучей через оптическую систему.

6.1.1. Координаты лучей в пространстве предметов и пространстве

изображений

 

 

Параметры луча в пространстве предметов и изображений могут быть

заданы только в том случае, если выбраны опорные плоскости. Опорная

плоскость (ОП) – это некоторая произвольно выбранная плоскость,

перпендикулярная оптической оси. Опорные плоскости в пространстве

предметов и изображений выбираются из соображений удобства и могут быть

либо сопряженными, либо нет.

 

y и угловая координата

На рис.6.1.1 показаны линейная координата луча

луча α .

 

 

−α

α′

 

 

y′

y

 

ОП

 

ОП′

Рис.6.1.1. Координаты луча.

 

Вместо угла α часто используют направляющий косинус Y оптического лучевого вектора:

Y = n cos βy = −n sinα = −n α

где βy – угол между лучом и осью y , n α – приведенный угол.

Для лучей в меридиональной плоскости направляющий косинус X = 0 , таким образом, в параксиальной оптике луч может быть однозначно определен через линейную координату y и угловую координату Y = −n α :

y

(6.1.1)

 

 

Y

 

77

Аналогично, луч в пространстве изображений описывается линейной координатой y′ и угловой координатой Y ′ = −n′ α′:

y′

(6.1.2)

Y ′

6.1.2. Преобразование координат оптических лучей

Действие оптической системы заключается в преобразовании координат лучей:

y

y′

 

→ (ОС)→

 

Y

Y ′

Разложим выходные координаты луча в ряд: y′ = a0 + a1 y + a2Y + a3 y2 + a4 yY + a5Y 2 +...

Y ′ = b0 + b1 y + b2Y + b3 y2 + b4 yY + b5Y 2 +...

Если оптическая система является центрированной, то a0 = b0 = 0 . Все члены ряда, начиная с a3 и b3 , можно отбросить, так как они стремятся к нулю

на порядок быстрее, чем предыдущие. Таким образом, для идеальной оптической системы:

y′= Ay + BY

(6.1.3)

Y ′= Cy + DY

6.2.Матрица преобразования лучей

6.2.1.Общий вид матрицы преобразования (ABCD-матрица)

Выражение (6.1.3) для преобразования линейной и угловой координат луча, рассмотренные в параграфе 6.1, можно записать в матричной форме, тогда преобразование координат луча оптической системой можно представить в виде умножения некоторой матрицы вектора на вектор входных координат луча:

y′

 

A B y

(6.2.1)

 

=

 

 

Y ′

C D

Y

 

Все свойства идеальной оптической системы полностью описываются

матрицей преобразования лучей G , называемой также гауссовой матрицей

или ABCD-матрицей:

G =

A

B

(6.2.2)

C

D

Выражение (6.2.1) можно также записать в виде:

′

= G b

(6.2.3)

b

78

где b – вектор-столбец входных координат, b′ – вектор-столбец выходных координат, G – матрица, описывающая оптическую систему.

6.2.2. Геометрический смысл элементов матрицы преобразования

Рассмотрим луч с координатами y =1, Y = 0 (рис.6.2.1).

 

ОП

ОП′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y ′

F ′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α′

SF′ ′

f ′

Рис.6.2.1.Схема для нахождения элементов A и C матрицы преобразования.

Подставив в выражение (6.1.3) значения y и Y ′, получим:

y′= Ay + BY = A

(6.2.4)

Y ′= Cy + DY = C

Из рис.6.2.1 видно, что: f ′ = αy′, SF′ ′ = αy′′

Отсюда с учетом того, что y =1, можно получить выражения для y′ и Y ′:

y′= SF′ ′ α′= SfF′′′

(6.2.5)

Y ′= −n′α′ = − nf ′′

Таким образом, подставив выражения (6.2.5) в (6.2.4), мы получим два элемента матрицы преобразования:

A = SfF′′′

(6.2.6)

C = − nf ′′ = −Φ

Теперь рассмотрим луч с входной координатой Y =1 (α = − n1 ) и выходной координатой Y ′= 0 (α′ = 0 ) (рис.6.2.2).

79

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]