厚透镜的基点如何分布?

厚透镜的基点如何分布?
把厚透镜看作是两个单折射球面的联合光具组,求出等效光组的基点便是厚透镜的基点。

如图2-39所示,设两个球面的半径分别为r1和r2,透镜的厚度为d,折射率为n,若透镜置于空气中,则n1=n'2=1,n'1=n2=n。由式(2-36(c))可知:

          f=   -r1 ,f¢=   nr1                                                   1     n-1 1 n- 1                                             f =   n2r2 ,f¢= r2                                                 2     n-1 2   n-1                         如图所示以d表示△时则:                                     D=d-f1¢ f2= n(r2-r1) (n-1)d               n-1                             由式(2-36)求得厚透镜的焦距为:                     f¢= f1¢f2¢ =           nr1r2               (2—37(a))         (n-1)[n(r   -r) (n-d)d]     D                           2 1                         透镜置于空气中时,                               f=-f¢=       -nr1r2         (2-37(b))     (n-1)[n(r   -r) (n-1)d]                 2 1                         确定等效系统焦点位置:①以两个分光组的焦点F1、F'2为坐标原点,由式(2-34(a)、(b))求出x1、x'2;②也可用光组Ⅰ物方主点及第Ⅱ光组像方主点为坐标原点求出lF、l'F,由图2-39,则:

F=f2¢ x¢2

lF=(-x1) (-f1)
将x1、x'2、f1、f'2的具体表示式,代入上式中则:

ì æ     d ö     ïlF¢=f¢ç1-           ÷(2-38(b))         ï è     ø             1         í æ           d ö   ï             ïlF =-f¢ç 1         ÷(3—38(c))             î è         f2ø   同样以光组Ⅱ像方主点及光组Ⅰ物方主点为坐标原点来确定等效光组的主点,如图2-39所示:
ìlH¢=f2¢ x¢2 (-f¢)     ï         -dr2     ï   =     (2—39(a))   ï   n(r2-r1) (n-1)d   íl H =-f x 1 f     ï     1     ï   =     -dr1 (2—39(b))   ï             n(r-r) (n-1)d   ï         î   2   1     薄透镜是厚透镜的特例,即d≈0的情形,此时,O1与O2重合,由式(2-38(a))与式(2-38(b))可知

F=-lF=f¢

由式(2-39(a)与(b))可知

H=lH=0

等效系统的两主点重合于O,如图2-40所示。那怎样求厚透镜的基点?摄影镜头通常都是复杂的透镜组,而且每个透镜都有一定的厚度,欲求镜头的基点,可先求出每个透镜的基点,然后进行组合。因此,对透镜的基点分布进行分析是非常必要的。

1.双凸透镜基点分布如何?

分析透镜的基点分布,可以用几何法(通过光路图直观的求得基点)和解析法(用式2-37和2-39)。用作图法可定性地求得基点的位置,并且对各种透镜都适用,其作法如下所示。

①作平行于主光轴的入射光线,经过两个折射球面折射后的出射光线(或反向延长线)跟入射线(或延长线)的交点为像方主平面上的点;过此点作垂轴平面(像方主平面),它与主轴的交点就是H'(第二主点);出射线跟主光轴的交点就是像方焦点。

②令光线反向入射,同样可求得物方主点和焦点。双凸透镜r1>0(左边球面半径),r2<0(右边球面半径),以顶点为坐标原点。由式(2-37)可知当半径r1和r2一定时,随厚度d不同焦距f'可正、可负。

透镜折射率肯定是大于1的正数,式(2-37(a))中的分子为负,而分母的正负由d值大小决定。当(n-1)d>|n(r2-r1)|,分母为正,f'为负;当(n-1)d<|n(r2-r1)|该式分子与分母同时为负故f'为正。同样通过分析(2-39)式可知l'H与lH的正负。

①当d<n(r2-r1)时则式(2-37(a))分子与分母同时为负,n-1


故f'>0,此时透镜为O会聚透镜。由式(2-39(a))可知,分子为正(r2<0),分母为负,则l'H<0,说明H'位于光组Ⅱ主点之左;同理可知lH>0,H位于光组Ⅰ顶点之右。如图2—41(a)所示。

②当透镜厚度d=r1-r2,即两个面的球心重合。由式(2-37)(a)可知f'>0,由式(2-39(a)与(2-39(b))可知:l'H=r2,lH=r1,说明透镜的两个主平面重合,并位于两个面的共同球心处如图2-41(b)所示。
③当d=-n(r2-r1)时,代入式(2-27(a))与(2-27(b))式,

n-1
分母为0,所以f'与f都为无限大,主平面也在无限远处,此时透镜为无焦系统,如图2-41(c)所示。
④当透镜的厚度增大到d>n(r2-r1),由式(2-37(a))可

n-1

知f'<0,说明等效光组像方焦点位于其主点H'之左。由式(2-39(a))及(2-39(b))可知l'H>0,主点位于第二个球面之右,lH<0,H点位

于第一球面之左,即二主平面位于透镜之外如图2-41(d)所示。

2.双凹透镜基点如何分布?
这种透镜r1<0,r2>0,由式(2-37(a))可知,两球面等效系统

(即双凹透镜)的焦距f'总为负值,是发散透镜。由式(2—39(a))与(2-39(b))可知l'H<0,lH>0,两主平面位于透镜内部,如图2-

42所示。

3.负弯月型透镜基点分布如何?
图2-43所示各种情况均为负弯月型透镜,其共同点是r1>,r2>0(两折射面半径符号相同),其焦距的符号随d值的大小而异。

①当d<n(r1-r2)时,f¢<0,l¢H>0,lH>0,是发散透镜,主面n-1

偏于球心方向,如图2-43(a)所示。
②当d=r1-r2时,两球面同心,f'<0,l'H=r2,l'H=r1,透镜仍为发散透镜,二主面重合于二面的共同球心处,如图2-43(b)所示。

③当d= n(r1 r2) 时,f¢=¥,l¢ =¥,l   =¥,此时透镜为望远     -1 H     n H                   系统(无焦系统),如图2-43(c)所示。

④当d>n(r1-r2)时,f1¢>0,l¢H<0,lH<0,该光学系统为会聚n-1

透镜,主面位于折射面之左(跟球心相对的方向),如图2-43(d)所示。4.平凸透镜基点分布如何?
由一个平面和一个凸面构成的透镜,设其r1>0,r2=∞,此时,焦距公式和主点位置公式为:
f¢r1

n-1
d
H=-n,lH=0

可见平凸透镜的像方焦距总为正,跟透镜厚度d无关,一个主面与球面相切,另一个位于透镜内部,如图2-44所示。

5.平凹透镜基点分布如何?
该系统是由一个平面和一个凹面组成,令r1>0,r2=∞,则焦距公式和主点位置公式为:
f¢r1

n-1
d
H=-nlH=0
显然,平凹透镜总为负透镜,焦距跟厚度无关,一个主面与球面顶点相切,另一主面位于透镜内部,如图2-45所示。

6.正弯月型透镜的基点分布如何?

如图2-46所示,二折射面半径同号(弯曲方向相同),跟负弯月型透镜的区别,在于凸面半径绝对值的凹面半径小,r2>r1>0,则f>0,l'H<0,lH<0,物方主平面在凸面之前,像方主平面在凹面之前。上述各种透镜在相机镜头中都有应用。

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