第6章 光学系统设计
第6章 光学系统设计PPT课件
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
10
7
4.5 2.5 1
0.2 5
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在 由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
图6-7 HG500发光二极管的配光曲线
4．光源的温度和颜色
任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为
温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 Mb ,T 表示为
：
M b
,T
M ,T ,T
式中，M
,T
de ddA
为辐射本领； ,T 为吸收率，当 ,T 1 时的物体称
被测 对象
光学系统 光学系统
光电探测器 光源
调理电路
作用：将光束变成平行光束、发散光束、 会聚光束或其他形式结构的光束
控制电路
计算机 显示与控制
现代光学仪器构成框图
❖光学系统的特点： ❖1、信息加载于光波，非接触、不破坏 ❖2、光波传播速度快，可实时测量控制 ❖3、波长短，测量精度高 ❖4、具有很高的空间分辨率 ❖5、可进行图像处理
一、光源的基本参数
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量
与产生该光通量所
V
需要的功率P 之比，称为该光源的发光效率，表示为:
V
2 d
1
P
P
（6－8）
式中，1 ~ 2 为该光电测量系统的光谱范围。
工程光学-第6章 光线的光路计算及像差理论
L sin U 1 cos ( I − U ) 2
1 cos ( I ′ − U ′) 2 × sin U ′
′ Uk ′ Lk
可求出通过该孔径光线的实际成像位置和像点弥散情况
第六
像差理论
第六章 光线的光路计算及像差理论
2、轴外点子午面内远轴光路计算 注意：轴外点与轴上点的重要区别 轴外点光束的中心线即主光线不是光学系统的对称轴 经球面折射后，主光线不再是光束的对称轴 光束相对于主光线失去了对称性 因而轴外点子午面内远轴光路计算时 一束光线需取3条光线计算 三条光线：从轴外点发出通过光瞳上、下缘和中心的三条光线 简称：主光线和上下光线
第六章 光线的光路计算及像差理论
转面的过渡公式
′ −1 − Dk −1 ⎫ tk = tk ⎬ ′ sk = sk −1 − Dk −1 ⎭
Dk
Dk
hk − hk +1 ) ( = ′ sin U zk
′ cosUzk dk − xk + xk+1 ) ( =
hk = rk sin(Uzk + Izk )
选择光学材料 nλ = ( nλ1 + nλ 2 ) / 2, vλ = ( nλ − 1) / ( nλ1 − nλ 2 )
第六章 光线的光路计算及像差理论
第二节 光线的光路计算
一、像差计算的特征光线
1、子午面内的光线光路计算 近轴光线和实际光线光路的计算 理想像的位置和大小、实际像的位置和大小的计算 有关的像差计算 2、轴外点沿主光线光束的光线光路计算，求像散和场曲； 3、子午面外的光线光路计算 空间光线的子午像差分量和弧矢像差分量的计算 对光学系统的像质进行全面了解
第六章 光线的光路计算及像差理论
+第六章.光线的光路计算及像差理论
★ 色差 由不同折射率引起的不同波长光线的成像位置和大小也不同。 包括：位置色差和倍率色差。
★ 七种几何像差 单色像差：球差、慧差、像散、场曲、畸变等五种。 色差：位置色差和倍率色差。 ★ 波像差 实际波面与理想球面波的偏差称为波像差。
★ 讨论像差的目的是为了能动地校正像差，使光学系统在一定孔径
对各个视场一般要计算11条光线，本节只考虑计算3条光线，即主光
线和上、下光线。
(a)
(b)
相应的转面公式为：
（1）对物体在无限远处，若光学系统的视场角为ω，入瞳半孔径
为h，入瞳距为Lz，则其3条光线的初始数据为：
上光线
Ua U z
La
Lz
tgU
z
主光线 U z Lz
（6-4）
下光线
Ub U z
Lb Lz tgU z
一望远物镜的焦距f100mm相对口径df15视场角26其结构参数如下rmm625436512435dmmndd40251516331672700015636000806试求该物镜的第一二近轴光线成像特征和远轴光线成像特征以及主光线细光束成像特征
第6章 光线的光路计算及像差理论
➢ 概述
➢光线的光路计算
U ' U I I '
L' r rsin I ' sinU '
相应的转面公式为：
Li1 L'i di
∠QOE =π-(π/2+U)-(π -φ)/2
U
i1
U
' i
=π-(π/2+U)-(π-I-U)/2=(I-U)/2
ni1 ni'
OE×cos(I-U)/2 = LsinU 同理，可得 OE×cos(I’-U’)/2 = L’sinU’
光学成像系统的传递函数.docx
第六章光学成像系统的传递函数由衍射理论知道，即使一个没有象斧的完善的透镜或光学系统，也得不到理想的几何象，而是一个由孔径决定的衍射光斑。
衍射斑的存在影响光学系统分辨物体细节的能力。
对于有象差存在的实际光学系统，还因为象差的存在而影响衍射斑中光能的分布，从而降低了光学系统的质量。
在常用的评价成象质量的方法中，如星点法是通过研究一个点物的衍射图形来判断象差的人小；分辨率法是用一个具有一定空间分布的鉴别率板作为物体来判断成彖的好坏。
这些方法都存在一定的局限性。
实际的物体是有复朵的光强分布或振幅分布的，可以看作一个包含有各种空间频率的复杂光栅。
按照阿贝成象理论，一个只受衍射限制而无象差的理想光学系统，因为物体的频谱中的高频部分受到孔径的限制而不能参与成象，致使象面的复振幅分布不同于物面，即表示细节的高频部分丢失而使分辨率卞降。
对于有象差存在的实际光学系统，不仅反映细节的高频部分由于孔径的限制而丢失，•其它较低频率成分的光波也由于彖差的存在而使得其振幅降低或位相改变，从而影响成象质量。
为了全面评价一个光学系统的成象质量的优劣，必须全面考察物面上的各种频率成分经过光学系统的传播悄况，用来衡量这个传播状况的函数就是传递函数。
现在，光学传递函数的概念和理论己经较普遍地应用于光学设计结果的评价、控制光学元件的自动设计过程、光学镜头质量检验、光学系统总体设计的考虑及光学信息处理等方面。
特别是光学传递函数为光学仪器的设计、制造和使用提供了统一的评价标准, 成为一个更全面更客观的质量评价方法。
本章主要讲授在频率域中描写衍射受限系统的成像特性。
所谓衍射受限系统即成像只受到有限人小孔经衍射的彩响，无儿何光学像差的理想系统。
对于有象差存在的实际光学系统对传递函数的影响也将作原理性的介绍。
§6-1透镜、衍射受限系统的点扩展函数一、透镜的点扩展函数在§2詔中我们在学习脉冲响应和叠加积分时，引入了线性系统的点扩展函数（脉冲响应）的概念。
光学系统课程设计
光学系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光学系统基本概念，掌握光学元件的作用和原理；2. 学会使用透镜公式和光路图分析光学系统；3. 了解光学成像的规律，掌握不同类型光学成像的特点；4. 掌握光学系统设计的基本方法和步骤。
技能目标：1. 能够正确使用光学仪器，进行光学实验操作；2. 能够运用透镜公式解决实际问题，分析光学系统性能；3. 能够根据给定的需求，设计简单的光学系统；4. 能够通过团队合作，完成光学系统设计项目。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光学现象的好奇心和探索精神，激发学习兴趣；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据和事实；3. 培养学生团队协作意识，提高沟通与交流能力；4. 培养学生环保意识，关注光学技术在环保领域的应用。
课程性质：本课程为物理学科选修课程，旨在帮助学生掌握光学基础知识，提高解决实际问题的能力。
学生特点：学生处于高中阶段，具备一定的物理基础和实验操作能力，对光学现象感兴趣，但需进一步培养探究精神和实践能力。
教学要求：注重理论联系实际，以实验为基础，引导学生通过观察、思考、实践，掌握光学系统设计的方法和技巧。
教学过程中，注重启发式教学，鼓励学生提问和讨论，提高学生的主动学习能力。
通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的学习和研究打下基础。
二、教学内容1. 光学基本概念：光的基本性质、光学元件（透镜、面镜）、光学成像分类；2. 透镜公式与光路图：透镜公式推导、光路图绘制、光学系统分析；3. 光学成像规律：实像与虚像、放大与缩小、成像位置与物距关系；4. 光学系统设计：光学系统设计方法、步骤、实例分析；5. 光学实验操作：光学仪器使用、实验操作技巧、实验数据处理；6. 光学技术应用：光学在日常生活、科技、环保等领域的应用案例。
教材章节关联：1. 与教材第二章“光的传播”相关，深化对光直线传播、反射、折射等概念的理解；2. 与教材第三章“光学成像”相关，学习透镜成像、面镜成像等知识点；3. 与教材第四章“光学仪器”相关，了解光学仪器的基本构造和原理。
光电成像技术第六章直视型光电成像系统与
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
第6章-坎萨格林望远镜
第 六 章 凯萨格林望远镜CASSEGRAIN TELESCOPE MODEL在这章中，我们将暂时离开上一章的Cooke 三片组，开始建立传统而著名的凯萨格林望远镜。
我们可以仅使用三个表面仿真这设计的主要结构设计，如图6.1 所示。
在图中主反射镜的形状为抛物面，其次反射镜为双曲线面。
图6.1一个古典凯萨格林望远镜。
光线来自左边，碰到凹面的主反射镜，反射到凸面的次反射镜后，光线再反射穿出主反射镜中心的一个开口孔径。
这个设计能够给予几乎完美的近轴影像，虽然像差随着离轴的角度会快速的增加，这个设计的其它资料可以在第112 页的补充附录“什么是凯萨格林望远镜”中讨论。
什么是凯萨格林望远镜？What is a Cassegrain Telescop e?大多数的大口径望远镜是使用反射镜，而非透镜来收集光线。
因为光线必须穿透透镜，它只能够利用透镜的边缘来固定。
这个原因限制了折射式望远镜的直径最大为一公尺，因为再大的透镜将被他自己的重量压垮。
重力将使他们的形状变形，（因此影响其成像质量），其变形的量与方式依望远镜所指向的天空角度而定。
反射式望远镜能够被制构来支撑。
唯一的问题是由凹面镜所形成的影像在凹面镜之前。
这个是非常不便及不实用的成像位置，因为成像位置的高度高于地面，及其位置为入射光的中途。
解决这个问题的一个方法是由凯萨造成非常大，因为主反射镜可以由背后稳固的结格林在1672 年提出，他增加一片凸面镜，称为次镜，放在主镜的焦点之前。
光线因此穿出主镜中央圆孔而离开系统如图中所示。
然而次镜是放在入射光的中途，唯一的影响是阻挡了小部分的入射光，同时增加了(通常是小量)部分绕射效应。
凯萨格林望远镜是一个紧凑的设计，一个简单的单一反射镜系统，若具有与凯萨格林组态相同的有效焦距时，其全长将四倍于凯萨格林组态，现在长焦距望远镜可以建造于一个简单的单一反射镜系统，若具有与凯萨格林组态相同的有效焦距时，其全长将四倍于这个凯萨格林望远镜组态。
光学教程第六章双折射
图2 负晶体的内切折射率椭球 图3 转动观察方向的情况
2020/12/27
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晶体的惠更斯作图法
2020/12/27
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1. 光轴平行于折射表面并平行于入射面
2020/12/27
加拿大树胶折射率介于冰洲石no和ne之间，如对于 钠黄光，n=1.55, no=1.65836, ne=1.48541。由于以上因此 平行于AA'的入射光进入晶体后，o光将以大于临界角的 入射角透射到剖面上，因全反射而偏折；e光则从尼科 耳棱镜中射出称为单一的线偏振光。
2020/12/27
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光学教程专题 光在晶体中的传播－－双折射
2020/1图2/217 一般情况
图2 线偏振光透视 29
光学教程专题 光在晶体中的传播－－双折射
第二个场景为圆偏振光，转动视角，如图3， 清晰可见圆偏振光经过/4玻片已转变为线偏振 光；而第三个场景为椭圆偏振光，仍然转动视角， 如图4，可见椭圆偏振光已转变为长轴方向变化 的另一个椭圆偏振光。
图3 圆偏振光透视
课件主要展示自然光经渥拉斯顿棱镜期间，其 在交界面处的透射和反射光的偏振方向的状态，如 图1。转换视角可以进行三维观察，如图2。
图1 渥拉斯顿棱镜
2020/12/27
图2 不同视角观察
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光学教程专题 光在晶体中的传播－－双折射
一、基本原理
d
* 波晶片——相位延迟片 波晶片是光轴平行表面的晶体薄片。
尖劈形波晶片干涉
2020/12/27
40
光学教程专题 光在晶体中的传播－－双折射
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远点：眼睛能看清的最远点称为远点，用r表示
近点：眼睛能看清的最近点称为近点，用p表示
调节范围：调节范围A表示为远点距和近点距的
倒数之差
A 1 1 R p rp
A、R、P的单位是屈光度（D），1D 1m1 。
眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围
年 龄 10 20 30 40 50 60 70 80
被测 对象
光学系统 光学系统
光电探测器 光源
调理电路
作用：将光束变成平行光束、发散光束、 会聚光束或其他形式结构的光束
控制电路
计算机 显示与控制
现代光学仪器构成框图
❖光学系统的特点： ❖1、信息加载于光波，非接触、不破坏 ❖2、光波传播速度快，可实时测量控制 ❖3、波长短，测量精度高 ❖4、具有很高的空间分辨率 ❖5、可进行图像处理
第一节 光学系统 的组成与特点
❖光学系统本质上是一种传递信息的工具，其 目标就是观察的标本或欲测试的零件。如果 目标不是自放光体，则必须进行人工照明。 ❖按照功能，主要分成3类： ❖1、照相系统 ❖2、显微系统 ❖3、望远系统
作用：利用显微系统、照相系统、望远系统及调制器、滤波 器将来自被测对象的光变成光电传感器能接收的光
图6-6 典型光源功率谱分布
a )线状光谱 b )带状光谱 c )连续光谱 d )复合光谱
a如低压汞灯光谱；b如高压汞灯光谱；c 如白炽灯、卤素灯光谱；d如荧 光灯光谱。 注： 在选择光源的时候，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵 敏波长相一致；目视测量，可选用可见光谱辐射比较丰富的光源；目视瞄 准，宜选用绿光光源；彩色摄像应采用白炽灯、卤素灯作光源。紫外和红 外测量，宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。
人眼的分辨力
❖ 明视距离：人眼在近距离工作时的通常 距离 250 mm.
❖ 分辨力：眼睛能分辩两个很靠近的点的 能力称为眼睛的分辨率。D为瞳孔直径。
ψ 1.22λ D
❖ 最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼 睛的张角称为眼睛的最小分辩角：60秒
❖ 最小分辨距离：在明视距离处（250mm） 最小分辨角对应的线量：0.0725mm。
一、光源的基本参数
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量V与产生该光通量所
需要的功率P 之比，称为该光源的发光效率，表示为:
V
2 d
1
P
P
（6－8）
式中，1 ~ 2 为该光电测量系统的光谱范围。
注：应用中宜采用发光效率高的光源以节省能源。
2．光谱功率谱分布
光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长 有关，称为光谱的功 率分布。常见的有四种典型的分布，如图6-6所示。
人眼的结构
巩膜
脉络膜 网膜
角膜
虹彩 前室
视轴
水晶体 后室
黄斑 盲点
简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼
折射面的曲率半径 像方介质的折射率 网膜的曲率半径 物方焦距 像方焦距 光焦度
5.56mm 1.333 9.7 mm -16.70mm 22.26 mm 59.88D
屈光度D=1/f， f表示焦距。一般以焦距1米的透镜屈光度为1 D(即1焦度)。
3．空间光强分布特征
由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同 的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线， 就得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线，如图6-7所示 为HG500型发光二极管的配光曲线。
光电探测器的选择原则
❖ 探测器输出电信号大小与测量光信号大小的关系； ❖ 探测器的光谱响应范围与测量光信号的光谱范围是否一致； ❖ 探测器能探测的最小信号功率； ❖ 探测调制信号或脉冲光信号时，响应时间是否一致。
第三节 光源及照明系统
光电测量中，光是信息的载体，光源及照明系统的质量对光电测量 往往起着关键的作用。本节将对光源的特性、光源的种类、照明光学系 统及光源选用等问题加以介绍。
第二节 人眼和光电探测器
❖人眼是一个完整的成像光学系统，同时又是 目视光学系统的接收器，可以看成是整个光 学系统的一个组成部分。 ❖一、人眼结构 ❖二、人眼的调节和适应 ❖三、人眼的分辨率和瞄准精度 ❖四、人眼的屈光度误差及其校正
人眼的结构
❖ 人眼的生理结构 ❖ 人眼的光学结构－简约眼 ❖ 人眼相当于照相机
由于人眼的局限性（频率高于24Hz，波长 在0.4-0.79μm之外，有害环境均无法工作 ），发展了各种光电器件，大大扩展了人 眼的感受范围。
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管 光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光电耦合器 光中断器 位置传感器PSD 自扫描光电二极管阵列SSPD 电荷耦合器件CCD 互补型金属氧化物半导体晶体管CMOS
简约眼模型
R =5.56
n=1.0
n=1.
眼睛如同一只自动变焦和自动 改变光圈大小的照相机。从光学角 度看，眼睛中三个最重要的部分是 水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对 应与照相机中的镜头、光阑和底片。
人眼的调节
调节：眼睛通过睫状肌作用改变光焦度的大小
以看清不同距离物体的过程称为调节。
第六章 光学系统设计
❖ 第一节 光学系统的组成与特点 ❖ 第二节 人眼和光电探测器 ❖ 第三节 光源及照明系统 ❖ 第四节 放大镜 ❖ 第五节 显微系统 ❖ 第六节 望远系统 ❖ 第七节 投影系统和照相系统 ❖ 第八节 光电系统 参数 ❖ 第九节 相干变换与检测系统设计 ❖ 第十节 光电系统设计举例—激光干涉仪的设计
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
10
7
4.5 2.5 1
0.2 5
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在 由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
人眼的屈光度误差及其校正
❖正常人眼完全放松时，眼睛的远点在无限 远，则称其为正常眼，反之，称为非正常 眼。非正常眼主要有以下三种类型： ❖ 近视眼：远点距为负值，有限远 ❖ 远视眼：远点距为正值，有限远 ❖ 散光眼： 两个垂直子午面的远点距不同
近视眼
-r
远视眼：
r
真空光电器件
光电探测器
固体光电器件