ТЕОРИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Основные понятия и законы геометрической оптики

Оптической системой (ОС) называют совокупность оптических деталей (линз, призм, зеркал и т.п.), предназначенную для формирования пучков световых лучей.

Закон прямолинейного распространения света . Если линейные размеры фронта световой волны (диаметр волнового фронта и его радиус кривизны) много больше длины волны, то направление распространения световой волны (луча) в оптически однородной среде является прямолинейным. Данный закон постулирует пренебрежение дифракционными явлениями в рамках геометрической оптики.

Закон независимого распространения света. Принимается,

что отдельные пучки лучей, т.е. совокупности лучей, заключенных в ограниченном телесном угле, не зависят друг от друга и распространяются так, как будто других пучков не существует. Данный закон постулирует пренебрежение интерференционными эффектами в рамках геометрической оптики.

Если лучи, распространяясь в определенной оптической среде, встречают среду, отличную по показателю преломления, то они на границе раздела этих сред частично отражаются и преломляются (или полностью отражаются в определенном направлении). При этом существуют следующие закономерности:

Падающий, преломленный и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности в точке падения луча. Плоскость, образованная падающим лучом и нормалью к поверхности в точке падения называется плоскостью падения .

При отражении действует закон отражения:

Законы преломления и отражения

Падающий и преломленный лучи взаимно обратимы. Если принять, то уравнение (2.2) дает закон отражения. Показатель преломления воздуха в расчетах чаще всего принимают за 1, но его точное значение (в видимой области) n =1,000274 (при нормальном давлении 760 мм рт.ст. и температуре 20 С).

При переходе луча из более оптически плотной среды в

менее оптически плотную (n2 Предельное значение угла падения при этом будет:

sin п

При углах падения, превышающих этот предельный угол, луч полностью отражается обратно в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением .

Принцип Ферма

Согласно принцип Ферма свет, проходящий через среду, распространяется вдоль пути, для которого время прохождения или оптическая длина пути имеют экстремальное (минимальное или максимальное ) значение. Экстремальное значение времени определяется уравнением:

Для дискретныхсред

L ns 0

Теорема Малюса

Совокупность лучей, перпендикулярных к волновому фронту, остается перпендикулярной к волновому фронту после любого числа преломлений или отражений. Отсюда следует, что если даны две фиксированные волновые поверхности, то оптическая длина хода всех лучей, идущих между этими поверхностями, должна быть постоянной независимо от направления распространения, т.е.

Совокупность световых лучей носит название пучка лучей .

Пучок, лучи которого имеют одну общую точку пересечения, называют гомоцентрическим . Гомоцентрический пучок может быть расходящимся, сходящимся или параллельным.

В физической оптике расходящемуся и сходящемуся гомоцентрическим пучкам соответствуютсферические волны ,параллельному пучку соответствуютплоские волны.

Все окружающее нас пространство заполнено различными физическими телами. Если из этих тел выходят лучи и попадают в некоторую оптическую систему, то такие физические тела называются предметами (объектами) , а пространство, в котором расположены эти предметы

– пространством предметов . . Другими словами, предметом является совокупность светящихся точек, из которых лучи направляются в оптическую систему.

Базовые понятия геометрической оптики

Если из какой-то точки предмета в оптическую систему направляются хотя бы два луча под углом друг к другу, то точка их пересечения после прохождения оптической системы называетсяизображением рассматриваемой точки предмета. А в целом изображением предмета называется совокупность изображений всех светящихся точек предмета. Пространство, в котором расположены изображения предметов, называется

пространством изображений . Изображение, образованное пересечением самих лучей, называетсядействительным , а изображение, образованное пересечением их продолжений, –мнимым . Две точки, одна из которых является изображением другой, называютсясопряженными .

Если из оптического прибора выходит гомоцентрический пучок, образующий одну точку изображения, то такое изображение называется точечным илистигматическим изображением . В случае, когда пучок лучей образует изображение точки предмета в виде совокупности точек, лежащих на двух отрезках, скрещивающихся под прямым углом, то такой пучок называетсяастигматическим (пример – изображение, построенное цилиндрической линзой).

Базовые понятия геометрической оптики

Реальная оптическая система образуется совокупностью оптических деталей – линз, призм, зеркал и т.д. Каждая оптическая деталь ограничивается поверхностью, на которой лучи испытывают преломление или отражение.

Линзами называют детали из оптически прозрачных однородных материалов, ограниченные двумя преломляющими поверхностями, из которых хотя бы одна является поверхностью тела вращения.

Призмой называется оптическая деталь, ограниченная преломляющими (не менее двух) и отражающими или двумя преломляющими плоскостями, расположенными под углом.

В большинстве оптических систем используют сферические поверхности. Но присущие деталям со сферическими поверхностями искажения изображений (аберрации) могут быть минимизированы с помощью увеличения числа поверхностей, т.е. путем усложнения системы. Упростить систему можно, если использоватьасферические поверхности.

Базовые понятия геометрической оптики

Асферические поверхности с осевой симметрией могут быть двух видов – поверхности 2-го порядка и поверхностивысших порядков . Сечения поверхностей 2-го порядка могут быть описаны одним из уравнений:

y2 a1 x a2 x2 ;

y 2a 1 x 1 2x 2;

y2 a1 x1 x2 .

В этих уравнениях величина a 2 называетсякоэффициентом уравнения 2-го порядка, –эксцентриситетом , –деформацией .

Сечения асферических поверхностей высших порядков чаще всего описывают уравнениями вида:

x Ay2 By4 Cy6 Dy8

y2 a1 x a2 x2 a3 x3 a4 x4 .

Начало координат x иy размещается в вершине поверхности.

- (от лат. aberratio уклонение), искажения, погрешности изображений, формируемых оптич. системами. А. о. С, проявляются в том, что оптич. изображения не вполне отчётливы, не точно соответствуют объектам или оказываются окрашенными. Наиболее… … Физическая энциклопедия

У термина «аберрация» есть и другие значения, см. аберрация. Аберрации оптических систем ошибки, или погрешности изображения в оптической системе, вызываемые отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в… … Википедия

Аберрации оптических систем ошибки, или погрешности изображения в оптической системе, вызываемые отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе. Аберрации характеризуют различного вида… … Википедия

Физическая теория, в развитии которой необходимо различать 3 этапа. 1) Принцип относительности классической механики (Галилей, Ньютон) гласит: во всех равномерно и прямолинейно движущихся системах механические процессы протекают точно так же, как … Философская энциклопедия

Физическая теория, рассматривающая пространственно временные свойства физических процессов. Закономерности, устанавливаемые О. т., являются общими для всех физических процессов, поэтому часто о них говорят просто как о свойствах… … Большая советская энциклопедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Аберрация. Схема сферической аберрации, где H, H … Википедия

Величина, позволяющая сравнивать освещённости в плоскостях изображений разл. оптич. систем. Без учёта потерь световой энергии на поглощение и отражение в оптич. системе т. н. геометрическая С. есть квадрат относительного отверстия системы, т. е.… … Физическая энциклопедия

Оптич. устройство, формирующее изображения оптические объектов на рассеивающей поверхности, служащей экраном. По способу освещения объекта различают диаскопич., эпископич. и эпидиаскопич. П. а. В диаскопическом П. а. (рис. 1) изображение на… … Физическая энциклопедия

Оптич. детали с плоскими отражающими и преломляющими поверхностями, образующими между собой двугранные углы; один из видов призм оптических. Обычно О. п. изготовляют из такого стекла, чтобы они не обладали дисперсией и двойным лучепреломлением (в … Физическая энциклопедия

- (глубина резкости) расстояние в пространстве предметов (объектов) в направлении оптич. оси системы между плоскостями, ограничивающими ту область, точки к рой изображаются в плоскости фокусировки достаточно резко (кружками с диаметром, не… … Физическая энциклопедия

- (от франц. loupe), оптич. прибор для рассматривания мелких объектов, плохо различимых глазом. Наблюдаемый предмет ОО1 (рис. 1) помещают от Л. на расстоянии, немного меньшем её фокусного расстояния f (FF фокальная плоскость). В этих условиях Л.… … Физическая энциклопедия

ЛЕКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС

По дисциплине «Теория и расчет оптических систем»

Специальность: 030800 0 «Медицинская оптика»

Квалификация: 030801 3 «Оптик медицинский»

Теоретические занятия: 30 час

Практические занятия: 30 час

Всего: 60 час

Семестр: III

Экзамен: III семестр

6.1. Тема №1 Введение. Теория и расчет оптических систем

Цель

- свойства идеальных оптических систем;

Принципы действия оптических деталей и типовых оптических систем;

Методы ограничения пучков лучей в реальных конструкциях оптики;

Тезисы лекции

При конструировании оптических приборов, которые широко применяются во всех отраслях науки, техники и народного хозяйства, большое значение имеет правильный выбор и расчет оптической системы, от которой зависят не только успешная работа прибора, но его габариты, масса и объем принимаемой информации. В данной дисциплине изучаются основополагающие вопросы по расчету оптических систем, приводятся теоретические сведения построения изображения, создания элементов, базовых моделей и схемных решений основных типов оптических систем, анализа качества изображения и аберрационной коррекции, адаптации реальных оптических систем для производства.

Теория и расчет оптических систем – прикладная оптическая наука, изучающая принципы проектирования оптических систем и методы образования оптического изображения; закладывает теоретический фундамент специальных инженерных знаний и решает множество задач, возникающих перед инженерами оптической отрасли при расчете оптических систем, а также при конструировании, изготовлении, сборке и юстировке оптических приборов. Это одна из основных дисциплин вузов, готовящих специалистов оптического приборостроения. Дисциплина базируется на знаниях, полученных в результате изучения дисциплин: «Физика» (элементы волновой теории света и геометрической оптики, интерференция света, дифракция, поляризация и дисперсия, фотометрия); «Волновая оптика» (поток энергии, принцип суперпозиции, волновой пакет, параметры электромагнитных волн); «Математика» (степенные ряды, дифференциальное и интегральное исчисление). Основной задачей преподавания дисциплины является подготовка студентов к последующему изучению специальных курсов «Оптико-электронные приборы и системы», «Техническая оптика», «Компьютерное проектирование оптических и лазерных систем», «Оптические измерения», «Методы контроля параметров оптических систем», а также будущей практической деятельности.

6.4 Иллюстративный материал

Электронные учебники;

Учебные видеофильмы.

Литература

1. Гвоздева Н.П., Коркина К.И. Теория оптических систем и оптические измерения. – М: Машиностроение, 1981 г.

2. Заказнов Н.П., Кирюшин С.Н., Кузичев В.И. Теория оптических систем. – М.: Машиностроение, 1992 г.

3. Гваоздева Н.П., Коркина К.И. Прикладная оптика и оптические измерения. – М.: Машиностроение, 1976 г.

4. Прикладная оптика./Под ред.Н.П. Теория оптических систем. – М.: Машиностроение, 1981 г.

5. Андреев Л.Н., Грамматин А.П. Сборник задач по теории оптических систем. – М.: Машиностроение, 1987 г.