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光學成像的原理及特點
光學成像的原理及特點
更新时间:2025-02-20 15:53:55

光學成像的原理及特點(一階光學成像原理)1

1841年德國科學家高斯(C.F.Gauss)提出一階光學(First order optics)成像原理,即近軸光學(Paraxial Optics),其理論簡述如下:

“一階光學”是将一物件和像面的關系是透鏡面孔徑尺寸的一次方程式,稱為一階光學。

在近軸光學中,需要定義光線的坐标系方位,通常我們認為光線從左向右傳播為正,從右向左傳播為負。近軸光學中有以下幾種基本參數的定義:

①焦點focal point

隻有無窮遠處沿光軸共線方向射入的平行光線彙聚的點稱為焦點。

由于光路可逆,于是在平行光通過透鏡的兩個方向上分别有前焦點、後焦點Focal point。平行光從右到左穿過鏡組産生的焦點稱為物方焦點(前焦點),反過來從左到右穿過鏡組稱為像方焦點(後焦點)

光學成像的原理及特點(一階光學成像原理)2

②主點 Principal point

當平行光線在光學系統中聚焦時,首先将聚到焦點的光線反向延伸,其次将平行入射光不考慮光學的折射效應,直接延伸使兩線相交。平行光束從中心軸到邊緣,相交的點形成一個面,這個面就是主面(Principal plane),主面和光軸相交的點稱為主點。

光學成像的原理及特點(一階光學成像原理)3

平行光在從左到右穿過鏡組主點稱為後主點,反過來穿過鏡組此時主點稱為前主點。由于在透鏡系統中,物通常放在鏡組左側、像通常在鏡組右側,因此也可以用物方與像方來區分前後,即物方主點、像方主點,物方焦點、像方焦點等。

③有效焦距Effective Focal Length

從主點到焦點的距離稱為有效焦距。前焦點到前主點的的距離與後焦點到後主點的距離相等,同為有效焦距。

④前焦距Front Focal Length

從鏡組前表面( V點)到前焦點( F )的距離。也可稱為物方焦距。⑤後焦距Back Focal Length,BFL從鏡組後表面(V′點)到後焦點(F′)的距離。也可稱為像方焦距、背焦。

⑤節點Node

節點為光軸上的兩個點。通過光學系統後,其方向可顯示出第一個節點,同平行于該方向可觀察出第二節點。當一光學系統固定在兩邊都是空氣的介質下,節點會和主點重合。下圖中 N1 為前節點,也稱為第一節點、物方節點; N2為後節點,也稱為第二節點、像方節點。

光學成像的原理及特點(一階光學成像原理)4

⑥曲率curvature

曲率是描述幾何體彎曲程度的量,例如曲面偏離平面的程度,或者曲線偏離直線的程度。在光學中曲率與曲率半徑可以整個界面上固定的(球面透鏡,曲率為常數),也可以是在整個界面上變化的(非球面鏡,曲率為變量)

光學成像的原理及特點(一階光學成像原理)5

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