光学系统简介
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第八章 常见光学系统
第八章 常见光学系统
光学仪器
❖ 成像系统 ❖ 照明系统
视角放大率：通过一定光学系统看物体时， 其像对眼睛的张角的正切与直接看物体对眼 睛张角的正切之比。
照明系统
❖ 临界照明 ❖ 柯拉照明
照明系统
❖ 临界照明：
– 把灯丝通过聚光镜成像在观察物体上
照明系统
❖ 柯拉照明：
– 灯丝像通过聚光镜成像在投射镜上 – 光阑通过投射镜成像在定焦面上
x1
得
dx'2 f 2 f '2
dx1
f1 f '2
1 f1
f2 '
在空气中：
f2'
f1 '
f '22
f '12
f1 '
f2 '
望远镜的视角放大率
M tan' f '1
tan
f '2
❖ 如果物镜的焦距大于目镜的焦距，通过望 远镜观察远处的物体时，在眼睛视网膜上 所成的像将得到放大。
0 250 2 0.00029 0.145
0
0.5
NA
0.5 M 0.145
NA
当取 = 0.00055mm 527NA M e
500NA M e Me 为有效放大率
望远镜Telescope
❖ 用于观察远距离物体的目视光学仪器， ❖ 把物方对眼睛很小的张角按一定倍率放
大，在像空间与眼睛形成较大的张角， 使眼睛能够分辨。
放大镜的放大率——视角放大率
❖ 通过放大镜观察物体时，物体所成 的像对眼睛张角的正切与直接观察 物体事物体对眼睛所张角的正切的 比。
放大镜
放大镜光路图
B’ y’
光学仪器
❖ 成像系统 ❖ 照明系统
视角放大率：通过一定光学系统看物体时， 其像对眼睛的张角的正切与直接看物体对眼 睛张角的正切之比。
照明系统
❖ 临界照明 ❖ 柯拉照明
照明系统
❖ 临界照明：
– 把灯丝通过聚光镜成像在观察物体上
照明系统
❖ 柯拉照明：
– 灯丝像通过聚光镜成像在投射镜上 – 光阑通过投射镜成像在定焦面上
x1
得
dx'2 f 2 f '2
dx1
f1 f '2
1 f1
f2 '
在空气中：
f2'
f1 '
f '22
f '12
f1 '
f2 '
望远镜的视角放大率
M tan' f '1
tan
f '2
❖ 如果物镜的焦距大于目镜的焦距，通过望 远镜观察远处的物体时，在眼睛视网膜上 所成的像将得到放大。
0 250 2 0.00029 0.145
0
0.5
NA
0.5 M 0.145
NA
当取 = 0.00055mm 527NA M e
500NA M e Me 为有效放大率
望远镜Telescope
❖ 用于观察远距离物体的目视光学仪器， ❖ 把物方对眼睛很小的张角按一定倍率放
大，在像空间与眼睛形成较大的张角， 使眼睛能够分辨。
放大镜的放大率——视角放大率
❖ 通过放大镜观察物体时，物体所成 的像对眼睛张角的正切与直接观察 物体事物体对眼睛所张角的正切的 比。
放大镜
放大镜光路图
B’ y’
光学系统
视场光阑是光学系统中决定其成像范围的一个光孔。在有中间实像平面的系统（例如开普勒望远镜和显微镜） 和有实像平面的系统（例如摄影系统）中，视场光阑都设置在这种像平面上。视场光阑被其前面的光学零件在物 空间中所成的像称为入射窗，它对入射光瞳中心所张的角度是所有光孔像中最小者，这个角度称为视场角。同样， 视场光阑被其后面的光学零件在像空间所成的像称为出射窗。入射窗、视场光阑和出射窗也是共轭的。当视场光 阑设置在实像平面或中间实像平面上时，入射窗和出射窗分别与物平面和像平面重合，此时视场有明晰的边界。 在无实像或中间实像平面的场合，例如眼睛通过放大镜或伽利略望远镜观察时，系统中也总有一个零件，它的通 光孔径起着限制视场的作用，上述二情况中，放大镜本身孔径和望远镜物镜的孔径就是决定可见视场范围的视场 光阑。显然，此时入射窗不与物平面重合，无明晰的视场边界。
光学系统
光学术语
01 理想
03 放大率
目录
02 物像关系 04 光阑
05 渐晕现象
07 像差
目录
06 成像光束 08 对称共轴作图
光学系统（optical system）是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统。 通常用来成像或做光学信息处理。曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射（或反射）球面组成的光学系统 称为共轴球面系统，曲率中心所在的那条直线称为光轴。
由于轴上点的成像光束被孔径光阑所限制，易于想到，将系统的所有光孔分别通过其前面的光学零件成像于 物空间时，其中对轴上物点张角为最小的那个像，或当物在无穷远时孔径为最小的那个像所对应的光孔，一定是 孔径光阑。孔径光阑在物空间的像称为入射光瞳，其对物点的张角称为物方的光束孔径角。同样，孔径光阑被其 后面的光学零件成在像空间的像，称为出射光瞳，它一定也是对轴上像点张角为最小的一个光孔像，这个张角是 像方的光束孔径角。入射光瞳、孔径光阑与出射光瞳三者是共轭的。如果忽略光阑像差，入射光瞳是物面上各点 成像光束的公共入口；出射光瞳是成像光束的公共出口。通过孔径光阑中心的光线叫主光线，因共轭关系，它也 通过入射光瞳中心和出射光瞳中心。因此，一般说主光线是成像光束的中心线。
光学系统
光学术语
01 理想
03 放大率
目录
02 物像关系 04 光阑
05 渐晕现象
07 像差
目录
06 成像光束 08 对称共轴作图
光学系统（optical system）是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统。 通常用来成像或做光学信息处理。曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射（或反射）球面组成的光学系统 称为共轴球面系统，曲率中心所在的那条直线称为光轴。
由于轴上点的成像光束被孔径光阑所限制，易于想到，将系统的所有光孔分别通过其前面的光学零件成像于 物空间时，其中对轴上物点张角为最小的那个像，或当物在无穷远时孔径为最小的那个像所对应的光孔，一定是 孔径光阑。孔径光阑在物空间的像称为入射光瞳，其对物点的张角称为物方的光束孔径角。同样，孔径光阑被其 后面的光学零件成在像空间的像，称为出射光瞳，它一定也是对轴上像点张角为最小的一个光孔像，这个张角是 像方的光束孔径角。入射光瞳、孔径光阑与出射光瞳三者是共轭的。如果忽略光阑像差，入射光瞳是物面上各点 成像光束的公共入口；出射光瞳是成像光束的公共出口。通过孔径光阑中心的光线叫主光线，因共轭关系，它也 通过入射光瞳中心和出射光瞳中心。因此，一般说主光线是成像光束的中心线。
投影机光学系统简介
投影機光學系統簡介第一章：前言如圖中所示，為一液晶投影器顯示系統之簡圖。
在此中，我們將其分為三個部分，1.照明系統、2.投影顯示系統、3.量測在照明系統部份中，我們要討論的是呈像與非呈像光學，另外，也會探討極化光學的部分。
在第二個部份中，要讓學員了解到液晶的工作原理和鏡頭呈像的工作原理。
另外在鏡頭呈像出去到屏幕的上方，我們要了解到一些繞射光學的概念。
第三，在量測部分，學員必須具備光度學與色度學的基本概念，才可以分析出呈像品質的好壞。
2-1 依顯示元件分類接下來在第一部份中，我們就依照顯示元件，將其分為LCD,LCOS 和DLP。
如圖中顯示是LCD 的實物圖，以及其之對應投影機的光機架構示意圖。
LCD為Liquid Crystal Display的簡稱，為穿透式之面板，這種微型面板技術開發最早，迄今已經有相當成熟的產品，主要有SHARP，EPSON，SONY三大廠牌，其中SHARP的3.6吋與6.4吋LCD面板，以及SONY的1.6吋LCD面板主要是搭配單片光機設計，而三片式光機引擎則採用1.8吋、1.3吋、0.9吋、0.7吋、0.5吋等LCD為其面板。
而此類型之光機面板則主樣有SONY、或EPSON兩家廠商所供應。
如圖中所示是LCOS之實物圖，以及他所對應之投影機光機架構示意圖，LCOS為Liquid Crystal on Silicon之簡稱，不同於穿透式之面板，其為反射式之面板。
在看好未來背投影是電視以及液晶投影之市場發展潛力下，國內廠商繼大使吋TFT之後，已經注意到液晶投影器關鍵零組件、反射式單精細，也就是LCOS面板的開發。
而由於LCD與DLP僅有少數幾家日本以及美國公司能夠供應，是屬於寡占的市場，因此這種使用半導體為機版的LCOS，史的台灣在發展上有著較大之優勢，也因此吸引較多的廠商來投注開發。
如圖中所示為DMD之實物圖，以及其以及他所對應之投影機光機架構示意圖。
DMD為Digital Micro-mirror Device 之簡稱，是由美國德州儀器TI，其利用微積電，mans之製程方式所研發的微型顯示器，DMD面板加上TI提供的驅動電路板，統稱為DLP，也就是所謂的Digital Light Process 技術。
工程光学—光学系统设计
o 《墨经》中有8条论述了几何光学知识，它阐述 了影、小孔成像、平面镜、凹面镜、凸面镜成 像，还说明了焦距和物体成像的关系。春秋战 国时期（BC400），墨子及其弟子。
o 光学设计的发展经历了人工设计和自动化设计 两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改 结构参数进行光学设计，到使用计算机和光学 自动优化设计程序进行设计的巨大飞跃。
二、光学设计基础
• 光学设计的发展概述 • 光学设计的过程与步骤 • 仪器对光学设计的要求 • 光学系统的像差概述
光学设计的发展概况
• 光学设计的概念
o 传统光学仪器日趋成为光学、机械、电子和计算机 一体化的现代智能化仪器，如数码相机、投影仪等。
o 对于一个光学系统而言，无论是成像系统还是照明 系统，光学设计是实现各种光学系统的重要基础。
常见的光学系统的基本特性参数有很多，如相对 孔径、数值孔径、F数、线视场、角视场、工作波段、 放大率、焦距、出瞳位置、入瞳直径、光阑位置、后 工作距离、共轭距、折射率、色散系数、透镜厚度、 透镜间距、透镜面型等。
对光学系统外形尺寸的要求
光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组 成、各组元的焦距、各组元的相对位置和横向尺寸。
一、光学系统简介
对光学系统的要求 成像质量，成像清晰； 物像相似，变形要小。
一、光学系统简介
• 绝大多数的透镜系统都有一条对称轴线，这样的 轴线称为“光轴”。无对称轴的光学系统称为 “非共轴系统”。
• 球面系统： 在各种不同形式的曲面中，球面和平面生 产较易，所以大多数光学系统中的光学零件 均由球面构成，这种光学系统称为球面系统。
为了简化各种类型光组的外形尺寸计算，可以把光学系统 看成是由一系列薄透镜组成的光学系统，经过简化后的光 学系统可以用理想光学系统的理论和公式进行计算。
o 光学设计的发展经历了人工设计和自动化设计 两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改 结构参数进行光学设计，到使用计算机和光学 自动优化设计程序进行设计的巨大飞跃。
二、光学设计基础
• 光学设计的发展概述 • 光学设计的过程与步骤 • 仪器对光学设计的要求 • 光学系统的像差概述
光学设计的发展概况
• 光学设计的概念
o 传统光学仪器日趋成为光学、机械、电子和计算机 一体化的现代智能化仪器，如数码相机、投影仪等。
o 对于一个光学系统而言，无论是成像系统还是照明 系统，光学设计是实现各种光学系统的重要基础。
常见的光学系统的基本特性参数有很多，如相对 孔径、数值孔径、F数、线视场、角视场、工作波段、 放大率、焦距、出瞳位置、入瞳直径、光阑位置、后 工作距离、共轭距、折射率、色散系数、透镜厚度、 透镜间距、透镜面型等。
对光学系统外形尺寸的要求
光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组 成、各组元的焦距、各组元的相对位置和横向尺寸。
一、光学系统简介
对光学系统的要求 成像质量，成像清晰； 物像相似，变形要小。
一、光学系统简介
• 绝大多数的透镜系统都有一条对称轴线，这样的 轴线称为“光轴”。无对称轴的光学系统称为 “非共轴系统”。
• 球面系统： 在各种不同形式的曲面中，球面和平面生 产较易，所以大多数光学系统中的光学零件 均由球面构成，这种光学系统称为球面系统。
为了简化各种类型光组的外形尺寸计算，可以把光学系统 看成是由一系列薄透镜组成的光学系统，经过简化后的光 学系统可以用理想光学系统的理论和公式进行计算。
理想光学系统
第三节 理想光学系统的物像关系
几何光学的基本内容之一是求像，即对于确定的 光学系统，给定物体的位置、大小、方向，求像的位 置、大小、正倒及虚实。常用的用以求取物象位置关 系的方法有二种：一为图解法，一为解析法。 一、图解法求像
图解法求像的定义
已知一个光学系统的主点(主面)和焦点的位置， 利用光线通过这些基点后表现的性质，对物空间给 定的点、线和面，通过画图追踪典型光线的方法求 像。
工程光学
石家庄铁道大学
机械工程学院
总第三讲
第二章 理想光学系统
Perfect Optical System
光学系统的具体结构（r、d、n） 实际光学系统与高斯（近轴）光学系统 研究光学系统成像的目的在于将高斯光学 完善成像的理论推广到任意大的空间，本 章的主要内容即介绍建立在高斯光学之上 的所谓理想光学系统，并研究理想光学系 统的主要光学参数、成像关系、放大率以 及光组组合和透镜。
可选择的典型光线和可利用的性质： ①平行于光轴入射的光线，经系统后过像方焦点； ②过物方焦点的光线，经过系统后平行于光轴； ③倾斜于光轴入射的平行光束经过系统后会交于像 方焦平面上的一点； ④自物方焦平面上一点发出的光束经系统后成倾斜 于光轴的平行光束； ⑤共轭光线在主面上的投射高度相等。 欲在理想光学系统条件下确定像点位置，只需 求出其对应物点发出的两条特定光线在像空间的共 轭光线，其交点即为所求像点。
总第三讲
３、主点与主平面
Q
Q'
h
f
'
h tanU '
F
U
H
H'
U
'
h'
F'
f
h tan U
光学系统
第一节 理想光学系统与共线成像理论
理想光学系统理论在1841年由高斯提出，1893年阿 贝发展了理想光学系统理论。 理想光学系统理论——高斯光学 对于实际使用的共轴光学系统，由于系统的对称 性，共轴理想光学系统所成的像还有以下性质： （1）位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位 于光轴上；位于过光轴的某一个截面内的物点对应 的共轭像点必位于该平面的共轭像面内；过光轴的 任意截面成像性质都是一样的。因此可以用过光轴 的截面代表一个共轴系统。
共轴理想光学系统所成像的性质
（2）垂直与光轴的平面物所成的共轭平面像的几何 形状完全与物相似，也就是说在整个物平面上无论 哪一部分，物和像的大小比例等于常数。像和物的 大小之比称为“放大率”，对于共轴理想光学系统 来说，垂直于光轴的同一平面上的各个部分具有相 同的放大率。 （3）一个光学系统，如果已知两对共轭面的位置和 放大率；一对共轭面的位置和放大率以及轴上的两 对共轭点的位置，则其它一切物点的像点都可以根 据这些已知的共轭面和共轭点来表示。
第一节 理想光学系统与共线成像理论
理想光学系统——像与物是完全相似的
这种“共线成像”理论的初始几何定义可归纳为：
第一节 理想光学系统与共线成像理论
理想光学系统——像与物是完全相似的 物空间 像空间 点 共轭点 直线 共轭直线 直线上的点 共轭直线上的共轭点 任一平面 一共轭平面
同样：物空间中每一同心光束在像空间中均有一共轭 同心光束与之对应。 简单的说：物空间的任一点、线、面都有与之相共轭 的点、线、面存在，且是唯一的。
第二节 理想光学系统的基点与基面
这些已知的共轭面和共轭点为共轴光学系统的 “基面”和“基点”。 基点就是一些特殊的点，基面就是一些特殊的面。 正是这些特殊的点与面的存在，从而使理想光学系 统的特性有了充分体现，只有掌握了这些基点基面 的特性，才能够分析计算理想光学系统。 基点：物方焦点，像方焦点；物方主点，像方主 点；物方节点，像方节点。 基面：物方主面，像方主面；物方焦面，像方焦 面。
光学系统
n' p2
p2 3
（令 n' n ）即成倒立、缩小的实像。
[解] （3）光线自右向左经凸球面折射成像：
s3 10 cm，r3 r1 20cm ，n 1.5 ，n' 1.0，代入物
像公式得
1 1.5 11.5 s3' 10 20
, 解得s3' 8 cm，
p p' f '
（2） 平面折射
r , 0
n n 0 p' p
例1：水深度为60cm处有一个
青蛙，在水面上方看到的青蛙上 升了多少cm?
解：p' n' p
n
像距
上升的高度为
H=(1-n’/n)*(水深 度)
p`=-40cm 物距 p=-60cm
p' n' p n
空气n’=1
傍轴小物：点到光轴的距离远小于球面曲率半径
三、傍轴球面折射的物象关系式
nn'n(u(' uin))unn('(n'('niu')')) n
p
u
i
n'
o h i' c u'
p'
h
r
u p'
p
p'
h
u p
h
n p'
n p
n r
n
物像关系式
r
n'n
解 ：(2) p=0.6m ，r=-0.3m，代入公式
1 1 2 0.6 p' 0.3
解得 p' 0.2 m，像在镜前离顶点0.2m处，为实像。
光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件
2. 望远系统
（1）伽俐略望远镜（ Galileo telescope ）
结构 发散透镜作目镜，会聚 透镜作物镜，物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束，经物镜会聚后，原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物，最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种： 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
（3）最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84％时，所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中，三种典型波长的 焦深为例，说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见，当 ' ＝0.5μm，2 L ＝ 8μm，说明像面有确定的位置，随着波长增加， 0 L'0 2 按正比增加，当 ＝10μm，2 ＝ 160μm L'0 ，这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x，只要其像面移动不超过 L0，那 么仍可得到清晰的像。所以，对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为
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➢涂敷层在包层的外面。作用保护光纤不受水汽侵蚀和
机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
一次涂敷层—丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶
涂
敷
缓冲层—性能较好的填充油膏
层 二次涂敷层—聚丙烯或尼龙等高聚物
• （二）光纤的种类
• 按折射率分布及光传输方式分：突变（阶跃）型 和渐变（梯度）型光纤。
• 突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变 的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通 讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小， 所以单模光纤都采用突变型。
• 视网膜：后室的内壁是一层由视神经细胞和神经纤维构 成 的膜，称为网膜或视网膜，它是眼睛的感光部分。
• 脉胳膜：也称黑衣。它的作用是吸收透过网膜的光线， 把后室变成一个暗室。
• 黄斑：位于视网膜上，四周略呈黄色，它的中心有一个 中心凹，此凹处是网膜上视觉最灵敏的区域，黄斑中心 与水晶体象方节点的连线，叫作眼睛的视轴。
• 标准镜头的视场角和人眼相当，可以拍出人眼看起来很自然的照 片，而不会在照片上附加任何感觉。
• 广角镜头具有更大的视场角，善于营造方向线，拍出的照片具有 空间延伸感。由于近大远小的透视效果，用于拍摄人物要注意人 物的变形。
• 鱼眼镜头是广角镜头的极端，它不满足理想的物像关系，而是具 有很大的负畸变，可以把180度甚至更大的视场摄入画面。
• 焦距为300至500mm甚至更长的远摄镜头是新闻报道、野生动物 摄影的重要创作工具。
• 一些镜头被称为快速镜头，它在同样焦距下具有更大的相对孔径， 因而可以以更短的曝光时间捕捉画面。
第六节 现代光学系统
• 一、光纤学系统 • 光纤：光导纤维，能将进入光纤一端的光线
传送到另一端。 • （一）结构
• 1、激光束的发散角
• 激光束的发散角、束腰位置是由激光谐振腔 和激光束的模式决定的。热透镜效应可能会改变 激光谐振腔的腔形，因此发散角和束腰的位置也 要随着改变
• 2、激光束的聚焦与准直
• （1）聚焦：采用短焦距透镜
• （2）准直：激光准直系统多采用二次透镜 变换形式，第一次透镜变换用来压缩高斯 光束的束腰半径，用短焦距透镜；第二次 使用较大焦距的变换透镜，用来减小高斯 光束的发散角。
• 光纤的结构
➢光纤由纤芯、包层、涂敷层组成。
➢纤芯位于光纤的中心部位。作用是传导光波。主要成
分是高纯度的二氧化硅。其余成分为极少量掺杂剂， 如五氧化二磷和二氧化锗。掺杂剂的作用是提高纤芯 的折射率。
➢包层也是含有少量掺杂剂的高纯度的二氧化硅。作用
是将光波限制在纤芯中传播。掺杂剂有氟或硼。这些 掺杂剂的作用是降低包层的折射率。
三、望远目镜
• 分类： • 惠更斯目镜 • 冉斯登目镜 • 对称目镜 • 艾弗尔目镜
四、反射式与折反式望远系统
• 常见反射式光学系统 • 牛顿 • 卡塞格尔 • 格里高利 • 常见折反式光学系统 • 结合了反射式和透射式的优点。 • 施密特光学系统 • 马克苏托夫光学系统
第五节 摄影系统
• 摄影系统：指把外界物体缩小成像于感光 胶片或光电器件光敏面上的光学系统。
n2 n02 1 a2r 2
光纤中 心的n
常数
光纤截面 的半径
• 梯度型光纤中的传播是一个非均匀介质中光线的传播， 其传播的简化方程为：
• 梯度型光纤折射率分布满足：y x B sinax
说明光线在介质中传播轨迹是正弦曲线。
• 梯度型光纤，又称自聚焦光纤，光线以某 一角度射 入光纤介质，逐渐折射到内侧，
• 远摄镜头具有把距离拉近的效果，并且由于景深小，可以突出画 面上的被摄主体，而使背景变得简洁。
• 焦距在70mm至100mm左右的镜头在远摄镜头家族中焦距算是短 的，特别适合拍摄人像特写，又叫人像镜头。
• 焦距在100mm至135mm的中等焦距远摄镜头在微距下特别善于 表现物体的细节与质感。
• 焦距在200mm左右的中长焦距远摄镜头常用于拍摄远处的新闻 画面，如报道体育比赛等。
Q
D
P
P
D
Q
视场光阑 F. S.的作用： 限制物面上能成像的范围 限制视场的大小
孔径光阑 A. S.的作用：
限制成像光束立体角 （口径）
控制到达像面的光能
L
Q
F.S
D
Q1
PF
F
P
Q1
Q
D
• 判断孔径光阑的方法：
• 1、求出所有光阑被它前面光组在系统物空间所 成像的位置及大小；
• 2、求出这些光阑像对轴上物点的孔径角（当物 在无限远时，确定所允许的孔径高度）；
• 包括：传统光学照相机、电视摄像机、 CCD摄像机和数码照相机等。
摄影光学系统的主要参数
焦距 相对孔径 视场角
决定像的大小：
远处
近处
大视场小：特写镜头，远 摄镜头
小视场大：全景镜头，广 角镜头
与像面照度有
关
焦距长时球差大，相对孔径 要小些
大：强光镜头 中等：普通镜头 小：弱光镜头
能摄入接收面的视场角，由 接收面大小决定
人眼
望远镜系统 照相系统
显微镜系统 投影系统
第一节 人的眼睛
• 一、人眼的结构
• （一）人眼的结构
• 巩膜：维持眼睛的一定形状，并可保护眼睛内部。
– 角膜：位于巩膜的前部，是一个凸形透明球面，厚度约为 0.55mm，折射率为1.3771，外界的光线首先通过角膜进入 眼睛。
– 前室：角膜后面的一部分空间称为前室，前室中充满了折 射率为1.3374的透明
• 明视觉：光亮度在几个cd/m2以上时正常人眼的 视觉。
• 暗视觉：光亮度在百分之几cd/m2以下时正常人 眼的视觉。
二、人眼的调节 （一）视度调节 可以看成是一个变焦距系统。人眼的焦 距可以根据物体的远近，通过改变眼中 水晶体的曲率半径，而自行调节，其调 节能力随年龄的增加而减弱。
近点和远 点的视度
– 液体，称为水状液， – 前室的深度 – 约为3.05mm。
• 水晶体：由多层薄膜构成的一个双凸透镜，中间较硬， 外层较软，借助于水晶体的周围肌肉的作用，可以使其 前表面的半径发生变化，以改变眼睛的焦距，使不同距 离的物体能成象在网膜上。
• 虹膜：是限制进入眼睛的光束口径，称为瞳孔。
• 后室：水晶体和视网膜之间的空隙称为后室，里面充满 了透明液体，叫作玻璃液。
是接收面的对角线长
• 摄影系统的分辨率：
• 根据光学系统的分辨率
，
像面上的最小辨距为
。
• 摄影系统的分辨率常用每毫米能区分的线 条数表示，即
• 对人眼最灵敏的555nm波长，
，
当然视场边缘的会有所降低。
• •
Cooke摄影物镜 • •
Tessar摄影物镜
双高斯摄影物镜
远距型摄影物镜 反远距摄影物镜 鱼眼物镜
（二）
三、
30～ 60分
10～20分 5分
10分
第二节 光学系统中光束的限制
一、光阑
系统中的一些固定或可变的带孔屏障或光学元 件的边缘——光阑
孔径光阑 光阑
视场光阑
D
M
PN
D
D
N
P M D
光阑（或其像）对入射光束的限制 光阑的像（或光阑）对共轭出射光束的• 渐变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐 变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模 间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本 较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。
• （三）光纤的传光原理
• 1、阶跃型光纤的传光原理
• 阶跃型光纤利用全反射原理传输光，满足全反射条件的 光线在光纤内不断地被反射，从光纤的一端传播到另一 端，其传播途径为折线。
• 高斯光束
• 垂直于光波传播方向的电矢量的振幅呈高斯函数 分布的光束。
• （一）激光束的结构
• 激光束不同于普通的光束，其光束截面半径ω所 确定的光束截面边界的连线并不是直线，而是曲 线，光束截面半径ω随传播距离Z的变化是非线 性的，截面最小的位置称为激光束的束腰，对应 的半径是束腰半径ω0
• （二）激光束的传播特性
二、 显微镜系统的成像原理
三、显微系统的主要技术参数
如采用光电摄影器件(CCD)时的有效放大率： 4NA • d
CCD的像素 间距
第四节 望远系统
（二）分辨率和工作放大率
• 分辨率
1.22
D
D
瑞利判据 道威判据
人眼极限分辨角为60秒，因此，两物点满足：
60
与景深对应
五
用于显微镜瞄准、读数 和精密测量，消除景深
引起的测量误差
用于大地测量中的测距， 消除焦深引起的测量误
差
第三节 放大镜
（二）目视光学仪器的作用
• 1、扩大视角 • 人眼的分辨率有一定限制，如观察物的视
角小于人眼的极限分辨率，就要借助于目 视光学仪器来扩大物体的视角。 • 2、将物体成像在无穷远 • 人眼在正常情况下，无限远目标成像在视 网膜上，为使人眼在观察时不至于疲劳， 常将目标通过光学仪器后，成像在无限远。
• 盲斑：神经纤维的出口，无感光细胞，不能产生视返觉回。
• （二） 人眼的视觉
• 人眼视网膜中有两种感光细胞：
• 一种是杆体细胞，灵敏度高，能感受弱光刺激， 但不能分辨颜色和视场中的细节；
• 另一种是锥体细胞，灵敏度低，只能感受较亮的 物体，但能很好的区分颜色，辨别细节。
• 正常颜色视觉的人，视网膜中央向外围部分过渡， 锥体细胞减少，杆体细胞增多，对颜色的分辨能 力逐渐减弱，直到颜色的感觉消失。
• 3、比较得出其中最小孔径角（物在无限远时为 孔径高度最小）所对应光阑像的物就是系统的孔 径光阑。
• 例：2.1P38
机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
一次涂敷层—丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶
涂
敷
缓冲层—性能较好的填充油膏
层 二次涂敷层—聚丙烯或尼龙等高聚物
• （二）光纤的种类
• 按折射率分布及光传输方式分：突变（阶跃）型 和渐变（梯度）型光纤。
• 突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变 的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通 讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小， 所以单模光纤都采用突变型。
• 视网膜：后室的内壁是一层由视神经细胞和神经纤维构 成 的膜，称为网膜或视网膜，它是眼睛的感光部分。
• 脉胳膜：也称黑衣。它的作用是吸收透过网膜的光线， 把后室变成一个暗室。
• 黄斑：位于视网膜上，四周略呈黄色，它的中心有一个 中心凹，此凹处是网膜上视觉最灵敏的区域，黄斑中心 与水晶体象方节点的连线，叫作眼睛的视轴。
• 标准镜头的视场角和人眼相当，可以拍出人眼看起来很自然的照 片，而不会在照片上附加任何感觉。
• 广角镜头具有更大的视场角，善于营造方向线，拍出的照片具有 空间延伸感。由于近大远小的透视效果，用于拍摄人物要注意人 物的变形。
• 鱼眼镜头是广角镜头的极端，它不满足理想的物像关系，而是具 有很大的负畸变，可以把180度甚至更大的视场摄入画面。
• 焦距为300至500mm甚至更长的远摄镜头是新闻报道、野生动物 摄影的重要创作工具。
• 一些镜头被称为快速镜头，它在同样焦距下具有更大的相对孔径， 因而可以以更短的曝光时间捕捉画面。
第六节 现代光学系统
• 一、光纤学系统 • 光纤：光导纤维，能将进入光纤一端的光线
传送到另一端。 • （一）结构
• 1、激光束的发散角
• 激光束的发散角、束腰位置是由激光谐振腔 和激光束的模式决定的。热透镜效应可能会改变 激光谐振腔的腔形，因此发散角和束腰的位置也 要随着改变
• 2、激光束的聚焦与准直
• （1）聚焦：采用短焦距透镜
• （2）准直：激光准直系统多采用二次透镜 变换形式，第一次透镜变换用来压缩高斯 光束的束腰半径，用短焦距透镜；第二次 使用较大焦距的变换透镜，用来减小高斯 光束的发散角。
• 光纤的结构
➢光纤由纤芯、包层、涂敷层组成。
➢纤芯位于光纤的中心部位。作用是传导光波。主要成
分是高纯度的二氧化硅。其余成分为极少量掺杂剂， 如五氧化二磷和二氧化锗。掺杂剂的作用是提高纤芯 的折射率。
➢包层也是含有少量掺杂剂的高纯度的二氧化硅。作用
是将光波限制在纤芯中传播。掺杂剂有氟或硼。这些 掺杂剂的作用是降低包层的折射率。
三、望远目镜
• 分类： • 惠更斯目镜 • 冉斯登目镜 • 对称目镜 • 艾弗尔目镜
四、反射式与折反式望远系统
• 常见反射式光学系统 • 牛顿 • 卡塞格尔 • 格里高利 • 常见折反式光学系统 • 结合了反射式和透射式的优点。 • 施密特光学系统 • 马克苏托夫光学系统
第五节 摄影系统
• 摄影系统：指把外界物体缩小成像于感光 胶片或光电器件光敏面上的光学系统。
n2 n02 1 a2r 2
光纤中 心的n
常数
光纤截面 的半径
• 梯度型光纤中的传播是一个非均匀介质中光线的传播， 其传播的简化方程为：
• 梯度型光纤折射率分布满足：y x B sinax
说明光线在介质中传播轨迹是正弦曲线。
• 梯度型光纤，又称自聚焦光纤，光线以某 一角度射 入光纤介质，逐渐折射到内侧，
• 远摄镜头具有把距离拉近的效果，并且由于景深小，可以突出画 面上的被摄主体，而使背景变得简洁。
• 焦距在70mm至100mm左右的镜头在远摄镜头家族中焦距算是短 的，特别适合拍摄人像特写，又叫人像镜头。
• 焦距在100mm至135mm的中等焦距远摄镜头在微距下特别善于 表现物体的细节与质感。
• 焦距在200mm左右的中长焦距远摄镜头常用于拍摄远处的新闻 画面，如报道体育比赛等。
Q
D
P
P
D
Q
视场光阑 F. S.的作用： 限制物面上能成像的范围 限制视场的大小
孔径光阑 A. S.的作用：
限制成像光束立体角 （口径）
控制到达像面的光能
L
Q
F.S
D
Q1
PF
F
P
Q1
Q
D
• 判断孔径光阑的方法：
• 1、求出所有光阑被它前面光组在系统物空间所 成像的位置及大小；
• 2、求出这些光阑像对轴上物点的孔径角（当物 在无限远时，确定所允许的孔径高度）；
• 包括：传统光学照相机、电视摄像机、 CCD摄像机和数码照相机等。
摄影光学系统的主要参数
焦距 相对孔径 视场角
决定像的大小：
远处
近处
大视场小：特写镜头，远 摄镜头
小视场大：全景镜头，广 角镜头
与像面照度有
关
焦距长时球差大，相对孔径 要小些
大：强光镜头 中等：普通镜头 小：弱光镜头
能摄入接收面的视场角，由 接收面大小决定
人眼
望远镜系统 照相系统
显微镜系统 投影系统
第一节 人的眼睛
• 一、人眼的结构
• （一）人眼的结构
• 巩膜：维持眼睛的一定形状，并可保护眼睛内部。
– 角膜：位于巩膜的前部，是一个凸形透明球面，厚度约为 0.55mm，折射率为1.3771，外界的光线首先通过角膜进入 眼睛。
– 前室：角膜后面的一部分空间称为前室，前室中充满了折 射率为1.3374的透明
• 明视觉：光亮度在几个cd/m2以上时正常人眼的 视觉。
• 暗视觉：光亮度在百分之几cd/m2以下时正常人 眼的视觉。
二、人眼的调节 （一）视度调节 可以看成是一个变焦距系统。人眼的焦 距可以根据物体的远近，通过改变眼中 水晶体的曲率半径，而自行调节，其调 节能力随年龄的增加而减弱。
近点和远 点的视度
– 液体，称为水状液， – 前室的深度 – 约为3.05mm。
• 水晶体：由多层薄膜构成的一个双凸透镜，中间较硬， 外层较软，借助于水晶体的周围肌肉的作用，可以使其 前表面的半径发生变化，以改变眼睛的焦距，使不同距 离的物体能成象在网膜上。
• 虹膜：是限制进入眼睛的光束口径，称为瞳孔。
• 后室：水晶体和视网膜之间的空隙称为后室，里面充满 了透明液体，叫作玻璃液。
是接收面的对角线长
• 摄影系统的分辨率：
• 根据光学系统的分辨率
，
像面上的最小辨距为
。
• 摄影系统的分辨率常用每毫米能区分的线 条数表示，即
• 对人眼最灵敏的555nm波长，
，
当然视场边缘的会有所降低。
• •
Cooke摄影物镜 • •
Tessar摄影物镜
双高斯摄影物镜
远距型摄影物镜 反远距摄影物镜 鱼眼物镜
（二）
三、
30～ 60分
10～20分 5分
10分
第二节 光学系统中光束的限制
一、光阑
系统中的一些固定或可变的带孔屏障或光学元 件的边缘——光阑
孔径光阑 光阑
视场光阑
D
M
PN
D
D
N
P M D
光阑（或其像）对入射光束的限制 光阑的像（或光阑）对共轭出射光束的• 渐变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐 变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模 间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本 较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。
• （三）光纤的传光原理
• 1、阶跃型光纤的传光原理
• 阶跃型光纤利用全反射原理传输光，满足全反射条件的 光线在光纤内不断地被反射，从光纤的一端传播到另一 端，其传播途径为折线。
• 高斯光束
• 垂直于光波传播方向的电矢量的振幅呈高斯函数 分布的光束。
• （一）激光束的结构
• 激光束不同于普通的光束，其光束截面半径ω所 确定的光束截面边界的连线并不是直线，而是曲 线，光束截面半径ω随传播距离Z的变化是非线 性的，截面最小的位置称为激光束的束腰，对应 的半径是束腰半径ω0
• （二）激光束的传播特性
二、 显微镜系统的成像原理
三、显微系统的主要技术参数
如采用光电摄影器件(CCD)时的有效放大率： 4NA • d
CCD的像素 间距
第四节 望远系统
（二）分辨率和工作放大率
• 分辨率
1.22
D
D
瑞利判据 道威判据
人眼极限分辨角为60秒，因此，两物点满足：
60
与景深对应
五
用于显微镜瞄准、读数 和精密测量，消除景深
引起的测量误差
用于大地测量中的测距， 消除焦深引起的测量误
差
第三节 放大镜
（二）目视光学仪器的作用
• 1、扩大视角 • 人眼的分辨率有一定限制，如观察物的视
角小于人眼的极限分辨率，就要借助于目 视光学仪器来扩大物体的视角。 • 2、将物体成像在无穷远 • 人眼在正常情况下，无限远目标成像在视 网膜上，为使人眼在观察时不至于疲劳， 常将目标通过光学仪器后，成像在无限远。
• 盲斑：神经纤维的出口，无感光细胞，不能产生视返觉回。
• （二） 人眼的视觉
• 人眼视网膜中有两种感光细胞：
• 一种是杆体细胞，灵敏度高，能感受弱光刺激， 但不能分辨颜色和视场中的细节；
• 另一种是锥体细胞，灵敏度低，只能感受较亮的 物体，但能很好的区分颜色，辨别细节。
• 正常颜色视觉的人，视网膜中央向外围部分过渡， 锥体细胞减少，杆体细胞增多，对颜色的分辨能 力逐渐减弱，直到颜色的感觉消失。
• 3、比较得出其中最小孔径角（物在无限远时为 孔径高度最小）所对应光阑像的物就是系统的孔 径光阑。
• 例：2.1P38