应用光学第八章典型光学系统
第八章 典型光学系统 应用光学教学课件
为什么不直接用光束口径,而采用相对孔径来代表望远物镜的 光学特性?? 是因为相对孔径近似等于光束的孔径角2U’max. 相对孔径越大，U’max越大，象差也就越大。为了校正像差， 必须使物镜的结构复杂化。 相对孔径代表物镜复杂化的程度
3. 视场 系统所要求的视场，也就是物镜的视场
材料容易制造，特别对大口径零件更是如此
大口径的望远镜都采用反射式 反射望远镜在天文望远镜中应用十分广泛 反射表面磨制的要求是很高的,再加上需经常重新镀反射面及部件组装、校
正的困难，反射系统在科普望远镜中应用受到限制
1.牛顿系统 一个抛物面和一块与光轴成45度的平面反射镜构成 2 格里高里系统 一个抛物面主镜和一个椭球面副镜构成
二 望远系统的放大率及工作放大率
1、望远系统的分辨率：用极限分辨角φ表示 按瑞利判断：φ＝140″/D 按道威判断：φ＝120″/D 即：入射光瞳直径D越大，极限分辨率越高。
2、视觉放大率和分辨率的关系 φ Г＝60″，Г＝60″/φ＝D/2.3 望远镜的视放大率越大，它的分辨精度就越高 3、有效放大率（正常放大率）：望远镜的正常放大率应使
第八章 典型光学系统
3、眼睛的光学参数：
标准眼： 根据大量的测量结果，定出了眼睛的各项光学常数，
包括角膜、水状液、玻状液和水晶体的折射率、各光学 表面的曲率半径、以及各有关距离。
简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型
二、眼睛的调节及校正
1、眼睛的调节原理? 折射球面r的改变
远点距，肌肉完全放松时，眼睛所能看到的最远lr 近点距，肌肉最紧张时，眼睛所能看到的最近点lp
3. 一望远物镜焦距为1m，相对孔径为1：12，测出出瞳 直径为4mm，试求望远镜的放大率和目镜焦距。
应用光学课件-PPT
5)入射窗、出射窗、视阑之间得相互共轭关系。
大家应该也有点累了,稍作休息
大家有疑问得,可以询问与交流
10
例:有一光学系统,透镜O1、O2得口径D1=D2=50mm,焦距 f1′= f2′=150mm,两透镜间隔为300mm,并在中间置一光 孔O3,口径D3=20mm,透镜O2右侧150mm处再置一光孔O4,口 径D4=40mm,平面物体处于透镜O1左侧150mm处。求该系统 得孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗得位 置与大小。
两正薄透镜组L1与L2得焦距分别为100mm与50mm,通光口径 分别为60mm与30mm,两透镜之间得间隔为50mm,在透镜L2之 前30mm处放置直径为40mm得光阑,问 1)当物体在无穷远处时,孔径光阑为哪个？ 2)当物体在L1前方300mm处时,孔径光阑为哪个？
4、说明: 1)物体位置改变,原孔阑可能失去控制轴上点孔径角得作用,要重复上述 三个步骤确定孔阑。
工具显微镜中(β 准确)被测物得像与刻度尺相比较,可测物之长度。
物体不论处于何位 置,发出得主光线 都不随物体位置得 移动而变化;读出 刻尺面上光斑得中 心示值,即可求出 准确得象高。
三、 象方远心光路
1、 概念: 某些大地测量仪器或投影仪器中,为了消除像平面与标尺分划刻
线面不重合而引起得测量误差,在物镜得物方焦平面上加入一个光 阑作为孔径光阑,出瞳则位于像方无穷远,称为“像方远心光路”。 2、 应用:
3)物点在无限远时,各光孔像中,直径最小者即为入瞳。入瞳对应得实际 光孔即为孔径光阑。
例:有两个薄透镜L1与L2 ,焦距分别为90mm与30mm,孔径分 别为60mm与40mm,相隔50mm,在两透镜之间,离L2为 20mm处放置一直径为10mm得圆光阑,试对L1前120mm处 得轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳得位置与大小。
应用光学_08
普通光源：点光源均匀球面波(波面上各点振幅<强度>相同)； 激光光源：光束截面内光强分布不均匀，即波面上各点的振幅 A(r)不等，一般可以近似认为呈如下高斯分布：
A(r ) A0 e
r
2 2
w
r：光束截面半径； w：与光束截面半径有关的参数。
高斯光束：光斑无限延伸，截
2
w ) 2 (z f
2 0
2
w0
2
2 2 f w0
w ) 2 (z f
2 0
2
讨论：1) 当物方束腰离透镜很远，即：f+z>>z0时，有：
z
fz f z
，
w0
f 0 w f z
高斯光束的截面半径
1
高斯光束截面半径w(z)的表达式：
z w( z ) w0 1 w 2 0
2
2
表明：w(z)与光束的传播距离z、波长和w0有关，z = 0：w(0)=w0, 此即为高斯光束的束腰半径。
R(z) z
w(z)
q2 f z ( z f ) z 0 ( z f ) z
2 2 2 0
i
2 z0 f
( z f ) z
2
2 0
q0 z i
w0
2
z
于是，得：
z f
2 w0 z ( z f )
w ( z ) 代入上述成像公式，并注意w(z)=w(z)，则有：
课件工程光学-08典型光学系统.ppt
1.0
0.8
光谱光效率
为什么暗环境下能
0.6
做饭、洗衣，但不
0.4
能描龙绣凤？
0.2
2024/10/8
0.0 400 500 600 700 800
l(nm)
光谱光效率函数曲线
第七章 光度学基础
7
§8.1.5 眼睛的分辨率
眼睛刚能分辨开二个很靠近点的能力称为眼睛的分辨率。 二者成反 比
刚能分辨的二个点对眼睛物方节点的张角称为极限分辨角。
瞄准精度和前面讲到的分辨率是不是一个概念？
瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。
二实线重合 60
2024/10/8
二直线端部对准 叉线对准单线
（10～20）
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第七章 光度学基础
双线对称夹单线 （5～10）
9
§8.1.7 眼睛的立体视觉
眼睛观察空间物体时，能区别它们的相对远近而具有立体视觉。简称体视。 C
若以50％渐晕点为界来决定线视场2 y
F
2 y 2B2F
f tanW2
f h d
250 f
2 y 500h d
W F
f 眼瞳
W3W2 W1 2a 2h
眼瞳
d
2024/10/8
第七章 光度学基础
14
讨论：
逢年过节，要买放大镜孝敬老人， 该如何选择其放大倍率？
2y h
2y 1
2y 1 d
（2）与照明光谱成份有关：单色光分辨率高（眼睛有色差）； （3）与视网膜上成像位置有关，黄斑处分辨率最高。
对眼睛张角小物体的要借助望远镜或显微镜等仪器，仪器 应有适当的放大率，使能被仪器分辨的也能被眼睛分辨。
工程光学第八章知识点
⼯程光学第⼋章知识点第⼋章典型光学系统●通常把光学系统分为10个⼤类：（1）望远镜系统（2）显微镜系统（3）摄影系统（4）投影系统（5）计量光学系统（6）测绘光学系统（7）物理光学系统（8）光谱系统（9）激光光学系统（10）特殊光学系统（光电系统、光纤系统等）第⼀节眼睛的光学成像特性1.眼睛的结构⽣理学上把眼睛看作⼀个器官眼睛包括⾓膜、⽔晶体、视⽹膜等部分⼈眼的光学构造：●⾓膜：由⾓质构成的透明的球⾯薄膜，厚度为0.55mm，折射率为1.3771；●前室：⾓膜后的空间，充满折射率为1.3774的⽔状液体；●虹彩：位于前室后，中间有⼀圆孔，称为瞳孔，它限制了进⼊⼈眼的光束⼝径，可随景物的亮暗随时进⾏⼤⼩调节；●⽔晶体：由多层薄膜组成的双凸透镜，中间硬外层软，各层折射率不同，中⼼为1.42，最外层为1.373，⾃然状态下其前表⾯半径为10.2mm，后表⾯半径为6mm，⽔晶体周围肌⾁的紧张和松驰可改变前表⾯的曲率半径，从⽽改变⽔晶体焦距；2.眼睛的视觉特性●应⽤光学把眼睛看作⼀个光学系统●⼈眼对不同波长的光的敏感度不同，就形成了视觉函数●⼈眼灵敏峰值波长在555nm（黄绿光）3.眼睛的调节和适应1．调节●眼睛成像系统对任意距离的物体⾃动调焦的过程称为眼睛的调节●眼睛所能看清的最远的点称为“远点”，远点距⽤lr表⽰，正常眼lr = ∞●眼睛所能看清的最近的点称为“近点”，近点距⽤lp表⽰，正常眼的近点距随年龄⽽变化●眼睛的调节能⼒⽤“视度”来表⽰，远点视度⽤R表⽰，近点视度⽤P表⽰：●11r pR Pl l= =（8-2）●视度的单位是“屈光度”，屈光度（D）等于以⽶为单位的距离的倒数，即1D=1m-1 ●如某⼈的近点为-0.5m，则⽤视度表⽰为P=1/(-0.5)=-2D●眼睛的调节能⼒A R P=-（8-3）●在正常照明条件下，眼睛观察近物最适宜的距离为-250mm，称为“明视距离”●在明视距离下观察物体，眼睛能长时间⼯作⽽不疲劳●年龄超过45岁后，眼睛的近点远于明视距离，这时称为⽼年性远视眼即⽼花眼2．适应●眼睛能在不同亮暗条件下观察物体，这种能⼒称为“适应”●眼睛瞳孔在外界光强变化时能⾃动改变孔径，⽩天瞳孔为2mm左右，夜晚为8mm左右●当光线较暗时，杆状细胞取代锥状细胞感光，进⼀步提⾼灵敏度●从暗处到亮处称为亮适应，适应较快；从亮处到暗处称为暗适应，需较长时间3.眼睛的缺陷与矫正●正常眼的远点在⽆限远处，即眼睛光学系统的像⽅焦点位于视⽹膜上●对于⾮正常眼来说，其远点位置发⽣变化●若远点位于眼前有限远处（lr <0），只能清晰接收发散光束，眼睛的像⽅焦点位于视⽹膜之前，称为近视眼●为了使近视眼的⼈能看清⽆限远点，须在近视眼前放置⼀负透镜，负透镜的像⽅焦点F ’与远点重合● f ’= lr●即负透镜的折光度与眼睛的视度相等●φ = R●折光度的单位为屈光度（D）●同理，若远点位于眼后有限远处（lr >0），只能清晰接收会聚光束，眼睛的像⽅焦点位于视⽹膜之后，称为远视眼。
第8章：典型光学系统
物体位于明视距离处对人眼的张角放大镜的工作原理
250mm,
r=−
两块密接透镜构成的放大镜
显微镜物镜物平面到像平面的距离称为共轭距。
适用于远视眼的视度调节
适用于近视眼的视度调节
F e
F F e
F
满足齐焦要求：调换物镜后，不需再调焦就能看到像——物镜共轭距不变加反射棱镜、平行平板
望远镜系统的结构
望远镜中的轴外光束走向
'tan '
o y f ω=−
视角放大率：
'tan '
f ω望远镜系统中平行于光轴的光线
(a)
(b)两类望远镜系统中的轴外光束走向(a)开普勒望远镜系统和(b)伽利略望远镜系统
开普勒式望远系统加入场镜的系统
=1:2.8
照相镜头可变光圈
孔径光阑探测器
视场光阑
01.22d λ=
艾里斑Airy disk
2
)实验系统相同，所用光波波长愈短则艾里斑愈小；刚能分辩的两个像点
min
0.15
≈
视觉细胞的直径，约5μm
角距离时人眼还
2mm
显微物镜的分辨率
'σβσ
=显微镜的几何景深
2''
x u δ≈Δ⋅弥散斑。
应用光学第一章几何光学基本原理
2015年2月
课程性质与任务
• 以几何光学为理论基础，以光学系统中光 的传播、成像以及光学系统的设计原理与 像质评价为主要内容 • 掌握光学系统成像的概念、理论和原理 • 学习光学系统设计的基本方法、光学系统 的分析评价方法
课程内容
• • • • • • • • • 第一章 几何光学基本原理 第二章 共轴球面系统的物像关系（重点） 第三章 眼睛和目视光学系统 第四章 平面镜、棱镜系统 第五章 光学系统中成像光束的选择 第六章 辐射度学基础 第七章 色度学基础 第八章 光学系统成像质量评价（重点） 第九章 典型光学系统（望远镜、显微镜、照相机、 投影仪以及光纤、激光、红外光学系统）
λ
第1节 光波和光线
三、光的特性
• 光的本质是电磁波 • 光的传播实际上是波动的传播 • 物理光学 研究光的本性，并由此来研究各种光学现象 • 几何光学 不考虑光的本性，研究光的传播规律和传播现象
第1节 光波和光线
四、光波
• 光波是一种电磁波，是一定频率范围内的电磁波，波长比一 般的无线电波短 – 可见光：400nm-760nm – 紫外光：5nm-400nm – 红外光：780nm-40μm • 近红外：780nm-3μm • 中红外：3μm-6μm • 远红外：6μm-40μm • 单色光：同一波长的光 • 复色光：不同波长的光混合而成
n1 sin I 0 n 2 sin 90° n 2 n2 sin I 0 n1
I1 O1 I2
I0 O2
I11 O3
第4节 光路可逆和全反射
二、全反射
• 全反射的应用
–用全反射棱镜代替反射镜：减少光能损失 –光纤 –指纹仪
激光照明
数码相机
应用光学各章知识点归纳
第一章 几何光学基本定律与成像概念波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。
光的传播即为光波波阵面的传播，与波面对应的法线束就是光束。
波前：某一瞬间波动所到达的位置。
光线的四个传播定律：1）直线传播定律：在各向同性的均匀透明介质中，光沿直线传播，相关自然现象有：日月食，小孔成像等。
2）独立传播定律：从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响，各光线独立传播。
3）反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内，入射光线和反射光线在法线的两侧，反射角等于入射角。
4）折射定律：入射光线、法线和折射光线在同一平面内；入射光线和折射光线在法线的两侧，入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率之比，即nn I I ''sin sin = 光路可逆：光沿着原来的反射（折射）光线的方向射到媒质表面，必定会逆着原来的入射方向反射（折射）出媒质的性质。
光程：光在介质中传播的几何路程S 和介质折射率n 的乘积。
各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。
各向异性介质：单晶体（双折射现象）马吕斯定律：光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
费马原理：光总是沿光程为极小，极大，或常量的路径传播。
全反射临界角：12arcsinn n C = 全反射条件：1）光线从光密介质向光疏介质入射。
2）入射角大于临界角。
共轴光学系统：光学系统中各个光学元件表面曲率中心在一条直线上。
物点/像点：物/像光束的交点。
实物/实像点：实际光线的汇聚点。
虚物/虚像点：由光线延长线构成的成像点。
共轭：物经过光学系统后与像的对应关系。
（A ，A’的对称性）完善成像：任何一个物点发出的全部光线，通过光学系统后，仍然聚交于同一点。
每一个物点都对应唯一的像点。
理想成像条件：物点和像点之间所有光线为等光程。
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Galilieo
Kepler
f‘目<0 y’物为虚像
f‘目>0 y’物为实像
镜筒短：L＝f’物－f目 镜筒长：L ＝f’物－f’
目
望远镜成正像
望远镜成倒像
一般用作扩束
望远，但需加倒像系统
37
反射式望远镜物镜
优点： 重量轻 完全没有色差，各种波长的
光所成像严格一致 可以在紫外到红外很大波长
范围内工作 这种系统对玻璃材料在光学性能上没有特殊要求,反射镜的材料比
13
➢放大镜
视觉放大倍率
通过放大镜观察物体时，其像对眼睛所张角度的正切，与眼直接看物体 时对眼所张角度的正切之比。
14
15
16
光束限制
渐晕系数
17
18
➢显微镜系统
19
显微镜放大率
20
显微镜结构
物镜通过转换器旋转式接到镜筒的下端面 目镜以插入式接镜筒 的上端面
双目镜筒 是通过加 反射棱镜 和平行平 板实现的
透镜的材料容易制造，特别对大口径零件更是如此 大口径的望远镜都采用反射式反射望远镜.
•缺点:稳定性差。温度的变化和物镜自重所引起的镜面变形，
对成像质量有较大的影响。
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牛顿系统 一个抛物面和一块与光轴成45度的平面反射镜构成； 格里高里系统 一个抛物面主镜和一个椭球面副镜构成
牛顿系统
39
卡塞格林系统 一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成
当外界暗时――变大，最大可达8mm
3
眼睛的缺陷及其校正
正常眼：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后焦点在视 网膜上
非正常眼：眼睛光学系统的后焦点不在视网膜上 近视眼：远点位于眼前有限距离
眼睛放松时，∞远物成像在视网膜前 如果眼睛的调节能力不变，则近视眼的明视距离 和近点距离都将缩短。 近视的视度加上正常人眼的近点视度就等于近视眼的近 点视度。例：近视为－2个视度的青年人，假定其眼睛的 调节能力为－10个视度，则他的近点视度为：
8
例： 某人在其眼前2.5m远的物看不清，问 需要佩戴怎样光焦度的眼睛才能使眼睛恢 复正常。 解：某人在其眼前2.5m远的物看不清，说 明远点由无穷远变为-2.5m，远点折光度数 为-0.4D，所以应该佩戴的眼镜的度数为近 视40度；
9
•散光
10
眼睛的分辨率
11
人眼的对准精度
12
双目立体视觉 对于空间一点A： 视差角：两视轴之间夹角θA 视觉基线：两眼节点J1和 J2的连线，以b表示 公式：θA＝b/L • 双目观察仪器：如“双眼望远镜”、 “双目显微镜”等。
49
光圈数越大，曝光量越小；反之，光圈数越小，曝光量越大。 50
摄影物镜的结构类型
普通摄影物镜、大孔径摄影物镜、广角摄影物镜、远摄物镜、变焦距物镜等
51
变焦距物镜
52
➢投影系统
53
照明系统
54
The end
55
典型光学系统
1
➢眼睛及其光学系统
眼睛的结构
2
1)水晶体好似是一双凸透镜，故可用单透镜系统进行分析计算；但是此 单透镜的折射率不是一成不变的，它是一个变折射率系统。
2)人眼系统的物、像方焦距并不相等，f=-17.055mm,f'=22.875mm；
眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光圈的超级照相机，在调焦范 围内，-f=14.2－17.1mm，f’=18.9－22.8mm 3)视场较大，大约150度左右。但是并不是视场内所有 物体都能成清晰像。只有在视轴周围度6～8度范围 内 的物体才能成清晰像，从而清晰的观察到物体 4)成倒像 5)瞳孔尺寸可变，大小可以调节。 当外界亮时――变小，最小可达2mm
＝－51.43mm，l’＝128.57mm，由薄透镜成像公式可 以得到fo’＝36.73mm；
显微镜的总放大率为Г ＝βo Г e＝-2.5×15＝37.5，总焦距为f’＝250/ Г ＝-6.67mm。
23
显微镜的分辨率及有效放大率
24
提高显微镜的分辨能力方法 1）减小波长; 2）物方介质折射率增大（油侵物镜）; 3）提高sinU值;
D’为出射光束光瞳
22
例： 已知显微镜目镜Г＝15，问它的焦距为多少？物 镜β0＝-2.5，共轭距L=180mm，求其焦距及物方和像
方截距。问显微镜总放大率为多少，总焦距为多少？
解：由于Г＝15 ，由Г ＝250/fe’，所以fe’＝50/3mm； βo＝-2.5＝l’/l，又l’－l＝180mm，可以得到l
25
有效放大率
指对显微镜达到的分辨率极限经适当放大后恰好达到人眼分辨能力 的适当放大率
26
显微镜的物镜
27
显微镜照明方法
28
透明物体照明
亮度高但不均匀
均匀照明
29
➢望远镜系统
30
开普勒望远镜
31
tg仪＝tg' tg眼 tg
yo' fo'tg ye fe'tg '
＝tg' tg
fo' fe'
对轴上点成像理想，但对轴外点存在很大像差，视场范 围有限，为获得较大视场，在像面附近加入透镜式视 场校正器
40
➢目镜
o目镜的作用
把物镜所成之像再放大从而成像在明视距离处或无穷远
o视度调节
41
o惠更斯目镜
42
o冉斯登目镜
43
o凯涅尔目镜
44
o无畸变目镜
45
o长出瞳目镜
46
➢摄影系统
47
48
1.只要物镜焦距大于目镜焦距，就扩大了视角，起到望远作用。
2. 3.
可正可负，与物镜、目镜焦距的符号有关。 为负时，观察得到的像为倒立的像。
32
分辨率及工作放大率 瑞利判断
33
34
开普勒望远系统应用－军用望远镜
35
伽利略望远系统
结构紧凑，筒长短，较为轻便，光能损失少，并且使物体呈正立 的像。但是由于没有中间实像，不能安装分划板，因而不能用来瞄准 和定位
l1 近 ＝ 2 ＋ － 10 1或 2l近 ＝ － 1 1＝ 20.08 m 3 8m 3 m
6
1 1 1 lr f '
7
• 远视眼（老花眼） 眼睛放松时，∞远物成像在视网膜后眼睛前加凸透镜，使近 点以内的物发出的光，经凸透镜折射后，成像于视网膜上
1 1 1 0.25 lp f '
21
参数： 共轭距：显微镜物镜从物平面到像平面的距离，约180mm 机械筒长：把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒
长度。（我国规定为160mm） 常用的物镜倍率：4x、 10x、 40x和100x 常用的目镜倍率：5x、10x和15x
• 显微镜的数值孔径：NA＝nsinU
NA＝D’Г/500