Электронный учебник по курсу Основы оптики

5.2. Теория идеальных оптических систем
(параксиальная или гауссова оптика)

5.2.1. Основные положения

В параксиальной области (бесконечно близко к оптической оси), любая реальная система ведет себя как идеальная:

Каждой точке пространства предметов можно поставить в соответствие сопряженную ей точку в пространстве изображений.

Каждая прямая линия имеет сопряженную ей прямую линию в пространстве изображений.

Каждая плоскость пространства предметов имеет сопряженную ей плоскость в пространстве изображений.

Из этих положений следует, что:

Меридиональная плоскость имеет сопряженную ей меридиональную плоскость в пространстве изображений.

Плоскость в пространстве предметов, перпендикулярная оптической оси, имеет сопряженную ей плоскость, перпендикулярную оптической оси в пространстве изображений.

5.2.2. Линейное, угловое, продольное увеличение

Линейное (поперечное) увеличение

Линейное увеличение оптической системы – это отношение линейного размера изображения в направлении, перпендикулярном оптической оси, к соответствующему размеру предмета в направлении перпендикулярном оптической оси:

Для идеальной оптической системы линейное увеличение для любой величины предмета и изображения в одних и тех же плоскостях одно и то же.

Угловое увеличение

В параксиальной области углы малы, и следовательно, угловое увеличение – это отношение любых из следующих угловых величин:

Продольное увеличение

Продольное увеличение оптической системы – это отношение бесконечно малого отрезка, взятого вдоль оптической оси в пространстве изображений, к сопряженному с ним отрезку в пространстве предметов:

5.2.3. Кардинальные точки и отрезки

Главными плоскостями системы называется пара сопряженных плоскостей, в которых линейное увеличение равно единице ().

Главные точки и – это точки пересечения главных плоскостей с оптической осью. Задний фокус – это точка на оптической оси в пространстве изображений, сопряженная с бесконечно удаленной точкой, расположенной на оптической оси в пространстве предметов. Расстояние от задней главной точки до заднего фокуса называется задним фокусным расстоянием . Расстояние от последней поверхности до заднего фокуса называется задним фокальным отрезком .

Передняя (задняя) фокальная плоскость - плоскость, перпендикулярная оптической оси и проходящая через передний (задний) фокус.

Передний фокус – это точка на оптической оси в пространстве предметов, сопряженная с бесконечно удаленной точкой, расположенной на оптической оси в пространстве изображений

Если лучи выходят из переднего фокуса, то они идут в пространстве изображений параллельно.

Переднее фокусное расстояние – это расстояние от передней главной точки до переднего фокуса.

Передний фокальный отрезок – это расстояние от первой поверхности до переднего фокуса.

Если , то система называется собирающей или положительной. Если , то система рассеивающая или отрицательная.

Переднее и заднее фокусные расстояния связаны между собой соотношением    или  , где – приведенное или эквивалентное фокусное расстояние.

В том случае, если оптическая система находится в однородной среде (например, в воздухе) , следовательно, переднее и заднее фокусные расстояния равны по абсолютной величине .

Оптическая сила оптической системы:

5.2.4. Построение изображений

Построение изображения:

Для того чтобы найти изображение точки , необходимо построить хотя бы два вспомогательных луча, на пересечении которых и будет находиться точка . Вспомогательный луч можно провести через точку параллельно оптической оси, тогда в пространстве изображений луч пройдет через задний фокус оптической системы. Вспомогательный луч можно провести через точку и передний фокус оптической системы, тогда в пространстве изображений луч пойдет параллельно оптической оси. На пересечении лучей и будет находиться изображение точки .

Построение хода луча :