Три често срещани ППС системи

Въз основа на изучаването на различни феномени на разпространение на светлината са проектирани и произведени различни оптични инструменти, като микроскопи за наблюдение на малки обекти, телескопи за наблюдение на далечни обекти, камери, видеокамери и т.н.

Обикновено има оптична система в оптичните инструменти и нейната функция е да образува наблюдавания обект за наблюдение от човешкото око или да го засече с фотоелектрически устройства.

Оптичните системи обикновено се състоят от един или повече оптични елементи. Всеки оптичен елемент се състои от среда с определен коефициент на пречупване, заобиколена от сферична, равнина или асферична повърхност.

Оптична система, в която центърът на кривината на повърхността на всеки оптичен елемент, съставляващ оптичната система, е на една и съща права линия, се нарича коаксиална оптична система, а права линия се нарича оптична ос.

Съществуват и некоаксиални оптични системи (например спектрометрни системи, които включват дисперсивни призми или дисперсивни решетки).

Всички оптични елементи в оптичната система са съставени от сферични повърхности и се наричат сферични системи.

Ако оптичната система съдържа асферична повърхност, тя се нарича асферична система.

Една леща е основната единица на коаксиалната сферична система.

Лещите могат да бъдат разделени на две категории според различни форми: първата категория се нарича конвергираща леща или положителна леща, която се характеризира с дебела средна и тънък ръб; втората категория е различаваща се леща или отрицателна леща, която се характеризира с тънки средни и дебели страни.

Съгласно закона за разпространение на светлината и вълната се изучава разпространението на светлинния лъч през лещата.

(1) Сближаваща се леща или положителна леща

Както е показано на фигура 1, за концентричен лъч, излъчван от точка А, неговият фронт на вълната е сферична повърхност с А като център. Когато светлинният лъч преминава през лещата, тъй като индексът на пречупване на стъклото е по-голям от този на въздуха, според връзката между индекса на пречупване и скоростта на светлината, скоростта на разпространение на светлината в стъклото е по-малка от тази във въздуха, а дебелината на центъра на конвергиращата леща е по-голяма от тази на ръба, Централната част се разпространява бавно, докато ръбовата част се разпространява бързо. В случай на фигура 1, когато светлината в центъра се разпространява от O до O', светлината в ръба е била разпространена съответно от P и Q до P', Q', повърхността на изходната вълна се огъва отляво надясно и целият лъч се сгъва към оптичната ос, наречена "конвергенция". Ако повърхността на лещата избере подходяща извита форма, повърхността на изходящата вълна все още може да бъде сферична повърхност. Съответните изходящи лъчи се пресичат в точка А', която очевидно е центърът на изходящата сферична вълна. А' е "точка на изображението", образувана от точка А през обектива, а точка А се нарича "точка на обекта".

На фигура 1 А' е точката на пресичане на действителната светлина. Ако екранът е поставен на А', на екрана може да се види ярко петно и такава точка на изображението се нарича "реална точка на изображението".

(2) Отклоняваща се леща или отрицателна леща

Тъй като краищата на разделящата се леща са по-дебели от центъра, за разлика от конвергиращата се леща, централната част на лъча пътува по-бързо и ръбовете пътуват по-бавно. както е показано на снимка 2. След като светлинният лъч премине през лещата, повърхността на вълната се огъва наляво и съответната изходяща светлина се отклонява навън, което се нарича "дивергенция". Ако повърхността на изходящата вълна е сферична, всички удължителни линии на лъчите преминават през сферичния център А' на сферичната вълна. Когато гледате зад обектива, това, което се вижда, е точно същото като светлината, излъчвана от А', но не може да се показва на екран. Такива точки на изображение се наричат "виртуални точки на изображение".

На фигура 1 и фигура 2 обектната точка А е началната точка на действителната светлина, наречена "обектна точка".

Ако обектната точка А не е действителна светлинна точка, а точка на изображение на друга оптична система, преди светлината да достигне точка А, тя се сблъсква с първата повърхност на задната оптична система и започва да променя посоката си на разпространение, както е показано на фигура 3. По това време действителните светлинни лъчи не преминават през точка А, но техните разширителни линии се пресичат в точка А, която се нарича "точка на виртуален обект".

(3) Коаксиална оптична система

Нека O1, O2, L, Ok обозначават оптична система с k лица, както е показано на фигура 4.

Сферична вълна се излъчва от точка А1, а концентричен лъч, центриран върху точка А1, се излъчва и точка А се нарича обектна точка. Ако сферичната повърхност все още е сферична вълна след преминаване през оптичната система, т.е. концентричен лъч с точката Ак' като център, а точката Ак' също е геометрична точка, това е перфектното изображение на А1. Следователно условието за перфектно изображение на оптичната система е, че когато инцидентът е сферична вълна, изходящата вълна също е сферична вълна. Или според закона на Мариус, оптичните дължини между съответните точки на инцидентния вълнов фронт и изходящия вълнов фронт са фиксирани стойности. Следователно оптичната дължина между обектната точка А1 и перфектната точка на изображението Ак' е константа. За оптичната система с k лица, както е показано на фиг. 4,

Пространството, където се намират обекти (включително реални и виртуални обекти), се нарича обектно пространство; пространството, където се намират изображенията (включително реални и виртуални изображения), се нарича пространство на изображенията. Двете пространства са безкрайно разширени, не механично разделени от пречупваща повърхност или от лявата и дясната страна на оптичната система.

Индексът на пречупване на обектната пространствена среда обаче трябва да се изчисли съгласно индекса на пречупване на космическата среда пред системата, в която се намира действителната аварийна светлина; индексът на пречупване на пространството на изображението трябва да бъде изчислен съгласно индекса на пречупване на пространството зад системата, където се намира действителната изходяща светлина. Изчислете дали те са физически или виртуални точки, реални или виртуални точки на изображение.

Например, точка на виртуалния обект А на фигура 3, въпреки че се намира зад системата по отношение на позицията, индексът на пречупване на обектната пространствена среда все още се изчислява според индекса на пречупване на средата в пространството, където се намира действителната аварийна светлина, сочеща към точка А (т.е. пространството пред лещата). По подобен начин рефрактивният индекс на средата в пространството на изображението, съответстващо на виртуалната точка на изображението А', се изчислява според рефрактивния индекс на средата в пространството, където са разположени действителните изходящи светлинни лъчи (т.е. пространството зад лещата).

Според теоремата за обратимостта на оптичния път, ако точката на изображението А' се счита за точка на изрязване, светлината, излъчвана от точка А', трябва да се пресича в точка А, а точка А става образът, образуван от А' през оптичната система. Тази кореспонденция между точка А и точка А се нарича "конюгация".