应用光学第七章典型光学系统
17
四、常用目镜的型式
冉斯登 目镜
其视场角达30°~40°，相对镜目距达0.3，适用于测量显 微镜和测量望远镜。
开涅尔 目镜
其视场角达40°~50°，相对镜目距达0.5，结构简单，像 质较好。 18
对称式 目镜
其视场角达40°~42°，相对镜目距达0.75，适用于军用观 察和瞄准仪器。
无畸变 目镜
1
一、显微镜的视觉放大率 因显微镜实质是一组合光 组，其视觉放大率为：
表明：显微镜的视觉放大率是物镜垂轴放大率与目镜视觉放大率 的乘积。物镜倍率有4、10、40、100；目镜有5、10、15。 2
250 (f 为组合焦距,单位mm) f 250 2 f f1 f 2 f1f 2
§7-3 显微镜系统
放大镜较低的放大率不能满足人们对近距离物体的极
微小细节进行观察，须用显微镜这种更高放大率的组 合光学系统。
显微镜的目镜和物镜都是会聚透镜（组），两者的间 隔比它们各自的焦距大得多。 成像原理：物AB位于物方焦点外测附近，经物镜成一 放大、倒立的实象A'B'于目镜物方焦面上或物方焦面 内侧附近，再经目镜成放大虚象A"B"于眼视距离甚至 无限远处。
按瑞利判断，物镜的分辨率为： 1 D 1475D 1475 取0.555 m NL N L 1.22 f f F
摄影物镜存在较大像差，物镜的实际分辨率小于理论分辨 率；此外其分辨率还与被摄目标的对比度有关，因此评价 其成像质量要用光学传递函数。 （三）像面照度 主要取决于相对口径，由前面知识：
2
光瞳垂轴 放大率
物体 亮度
2 P 1 D2 1 D2 当物在无限远( =0) E L sin U L 2 E L 2 2 4 f P 4 24 f
对大视场物镜，其视场边缘的照度要比视场中心小很多。
EM E cos4 w
视场光阑 孔径光阑 -u -u’ F目 目镜
4
又sin u tgu D 2 f e D 500 NA mm
n sin u D 500mm
出瞳 D’
物镜
ห้องสมุดไป่ตู้
四、显微镜的分辨率和有效放大率 分辨率受孔径光阑的影响，点源形成的像为一个衍射斑， 称为艾里斑，集中83.78%的能量，代表中心位置。 根据瑞利判断，两个相邻像点之间的间隔等于艾里斑的半 径时，则能被光学系统分辨。设艾里斑半径为a。则： 0.61 a n sin u 显微镜的分辨率以能分辨的物方两点间最短距离σ来表 示，即： a 0.61 0.61 n sin u NA 若按道威判断两相邻衍射斑中心距为0.85a时，能被分 辨开，即： 0.85a 0.5 NA 目镜的理
军用望远 镜棱镜转 像系统
11
透镜转像系统用于长镜筒的望远镜中。增加系统的长度， 改变系统的视觉放大率，有单组和双组两种形式。双组系 统的两转像透镜之间的光束是平行的，改变两透镜之间的 距离不会影响系统的光学特性。
双组透镜 转像系统
当整个系统较细长，轴外光线的很大部分将不能通过转像 系统和目镜，可在中间实像面上或其附近加一适当光焦度 的正透镜，把轴外光线压低以通过整个系统，这样不必增 加后面光学元件的口径。这种透镜称为场镜，对系统的光 焦度和放大率和像的位置几乎不产生影响。
tgwmax ymax 2f
底片的对 角线长度 广角 物镜
远摄 物镜
（二）分辨率 摄影系统的分辨率由物镜的分辨率和接收器的分辨率
决定，是以像面上每毫米内能分辨开的线对数表示。
23
设物镜的分辨率为NL,接收器的分辨率为Nr，则系统分 辨率N为： 1 1 1
N NL Nr
物镜的 光圈数
五、显微镜的景深 当眼通过显微镜调焦于某一平面（对准平面）时，在对准平面前和 后一定范围内的物体也能清晰成像，此距离即为显微镜的景深。 一种为不考虑眼睛调节能力时显微镜本身的景深，为几何景深；另 一种为考虑眼睛调节能力带来的景深，为调节景深。 六、显微镜的照明方式
①透射光亮视场照明。光通过透明物体产生亮视场。 ②反射光亮视场照明。对不透明的物体，从上面照射产生漫射或规 则的反射形成亮视场。 ③透射光暗视场照明。倾斜入射的照明光束在物体旁侧向通过，光 束通过物体结构的衍射、折射和反射，射向物镜，形成物体的像， 则获得暗视场。 ④反射光暗视场照明。在旁侧入射到物体上的照明光束经反射后在 7 物镜侧向通过，若无缺陷的放射镜作为物体，得到一均匀暗视场。
120 D
因望远镜是目视光学仪器，受人眼分辨率限制，即两个物点 通过仪器后对人眼的视角必须大于人眼的视觉分辨率1‘。
60
60 D 2.3 140 D
D
即为满足分辨率要求的最小视觉放大率，称为有效放大率（ 正常）。为看起来舒服常取Γ的2~3倍，称为工作放大率。 14
是其与目镜焦距之比。
16
由牛顿公式得： lF P
f e2
fo
f e
P l F
f e
因此，相对镜目距： P lF 1 f e
f e
可见当Γ较大时，镜目距近似等于目镜的后截距。即：
P lF
三、工作距
指目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离。目镜的视场 光阑与物镜的视场光阑重合，位于目镜的前焦平面上。为 适应近视眼与远视眼的需要，视度是可以调节的，因此工 作距要大于视度调节的深度，视度调节的范围一般在 ±5D。
fe' ' fo
fo' ' fe
开普勒 望远镜
10
其视觉放大率为： tg仪 tg(像方视场角) f0 D tg眼 tg眼 (物方视场角) f e D 手持望远镜的放大率不超过10倍，大地测量望远镜大约 为30倍，天文望远镜更高。 开普勒望远镜成倒像，需加入转像系统成正像。转像系 统分为棱镜转像系统和透镜转像系统。 棱镜转像系统用于筒长较短且结构紧凑望远镜中。不改 变其放大率。
21
§7-6 摄影系统
摄影系统是把平面或空间物体成像于感光元件接收面上的 光学系统，由摄影物镜和感光元件组成。
包括：照相机、电影摄像机、显微摄影系统、照相制版仪 等。
一、摄影物镜的光学特性 特性参数：焦距、相对孔径、视场角。
决定成 像大小 决定像 面照度 决定成 像范围
（一）视场 视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。
2y D
视场光阑的大小 D 2 f etgw 500tgw D 250 应与目镜的视场 f e e 角一致： e 表明：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物空间 3 的线视场越小。
500tgw 2y e 500tgw
三、显微镜的出瞳直径
其视场角达40°，相对镜目距达0.7，适用于测量仪器。
19
艾尔弗 目镜
其视场角达70°，相对镜目距达0.7，是最常用的一种广角 目镜。
惠更斯 目镜
其视场角达40°~50°，相对镜目距达0.33，焦距不小于 15mm。
20
长出瞳 目镜
其视场角达50°，用于军用仪器。 目镜的种类较多，设计时在满足光学特性要求时，兼顾 成像质量和结构的简单化。
柯勒镜的孔阑 物镜的视阑
柯勒镜的视阑 物镜的孔阑
柯勒照明是“窗对瞳，瞳对窗”的光管，调节光阑2有利于 减少有害的散射光。调节1减少有害的杂散光，提高对比度。
9
§7-4 望远镜系统
望远镜系统是一种能把远距离物体的张角放大，便于进行观察和瞄 准的目视光学仪器。
一、工作原理 使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统。其物镜的像方焦点 和目镜的物方焦点重合。即光学间隔Δ=0，是无焦系统。 望远镜的物镜f0‘>0,目镜有两种：fe‘>0为开普勒望远镜。 放大率：
三、望远镜的视场 开普勒望远镜的物镜框是孔径光阑，也是入瞳；出瞳在目镜 外面，与人眼重合。目镜框是渐晕光阑，一般允许有50%的 渐晕。物镜的后焦面上放置分划板，为视场光阑。
因此，望远镜的物方视场角ω满足： y 分划板 tg 半径 f 0 其2ω一般不超过15°，人眼观察时，必须满足光瞳相衔接， 才能看到望远镜的全视场。 15
普通显微镜，物镜框是孔径光阑。复杂物镜，其最后镜组的镜框为 孔径光阑。测量用显微镜，物镜像方焦平面上设置专门的孔径光阑， 经目镜所成的像为出瞳（直径为D‘）。则有： ny sin u ny sin u
n sin u yn sin u y n sin u f o
NA=nsinu称为显微物镜的数值孔径，与物镜的垂轴放大 率一起，刻在物镜的镜框上，是一重要光学参数。
想分辨率
5
距离为σ的两个点不仅被物镜分辨，且通过显微镜放大， 能被眼区分开，设眼的分辨角距离为2‘~4’。 则在明视距离上对应的线距离σ‘为：
2 250 0.00029mm 4 250 0.00029mm
0.5 2 250 0.00029mm 4 250 0.00029mm NA
表明：感光底片上的照度分布极不均匀。同一次暴光中，
可能中心过度，边缘不足。一般通过采用可变光阑（光圈 ）来控制孔径光阑的大小。使用者根据天气选择。 国标规定F数为：1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16， 22，32。 像面照度E′与暴光时间t的乘积为暴光量。若F提高一档，则 暴光时间增加一倍，才能保证暴光量不变。 二、摄影物镜的类型
生物显微镜多为透明标本，常用透射光亮视场照明，分为 临界照明和柯勒照明。 临界照明：把光源的像成在物平面上，故光源表面亮度的 不均匀性会影响显微镜的观察效果。
8 聚光镜的出瞳和像方视场分别与物镜的入瞳和物方视场重合。
柯勒照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺点， 它由两组透镜组成，前组透镜为柯勒镜，后组透镜为成像 物镜。
四、常用目镜的型式
冉斯登 目镜
其视场角达30°~40°，相对镜目距达0.3，适用于测量显 微镜和测量望远镜。
开涅尔 目镜
其视场角达40°~50°，相对镜目距达0.5，结构简单，像 质较好。 18
对称式 目镜
其视场角达40°~42°，相对镜目距达0.75，适用于军用观 察和瞄准仪器。
无畸变 目镜
1
一、显微镜的视觉放大率 因显微镜实质是一组合光 组，其视觉放大率为：
表明：显微镜的视觉放大率是物镜垂轴放大率与目镜视觉放大率 的乘积。物镜倍率有4、10、40、100；目镜有5、10、15。 2
250 (f 为组合焦距,单位mm) f 250 2 f f1 f 2 f1f 2
§7-3 显微镜系统
放大镜较低的放大率不能满足人们对近距离物体的极
微小细节进行观察，须用显微镜这种更高放大率的组 合光学系统。
显微镜的目镜和物镜都是会聚透镜（组），两者的间 隔比它们各自的焦距大得多。 成像原理：物AB位于物方焦点外测附近，经物镜成一 放大、倒立的实象A'B'于目镜物方焦面上或物方焦面 内侧附近，再经目镜成放大虚象A"B"于眼视距离甚至 无限远处。
按瑞利判断，物镜的分辨率为： 1 D 1475D 1475 取0.555 m NL N L 1.22 f f F
摄影物镜存在较大像差，物镜的实际分辨率小于理论分辨 率；此外其分辨率还与被摄目标的对比度有关，因此评价 其成像质量要用光学传递函数。 （三）像面照度 主要取决于相对口径，由前面知识：
2
光瞳垂轴 放大率
物体 亮度
2 P 1 D2 1 D2 当物在无限远( =0) E L sin U L 2 E L 2 2 4 f P 4 24 f
对大视场物镜，其视场边缘的照度要比视场中心小很多。
EM E cos4 w
视场光阑 孔径光阑 -u -u’ F目 目镜
4
又sin u tgu D 2 f e D 500 NA mm
n sin u D 500mm
出瞳 D’
物镜
ห้องสมุดไป่ตู้
四、显微镜的分辨率和有效放大率 分辨率受孔径光阑的影响，点源形成的像为一个衍射斑， 称为艾里斑，集中83.78%的能量，代表中心位置。 根据瑞利判断，两个相邻像点之间的间隔等于艾里斑的半 径时，则能被光学系统分辨。设艾里斑半径为a。则： 0.61 a n sin u 显微镜的分辨率以能分辨的物方两点间最短距离σ来表 示，即： a 0.61 0.61 n sin u NA 若按道威判断两相邻衍射斑中心距为0.85a时，能被分 辨开，即： 0.85a 0.5 NA 目镜的理
军用望远 镜棱镜转 像系统
11
透镜转像系统用于长镜筒的望远镜中。增加系统的长度， 改变系统的视觉放大率，有单组和双组两种形式。双组系 统的两转像透镜之间的光束是平行的，改变两透镜之间的 距离不会影响系统的光学特性。
双组透镜 转像系统
当整个系统较细长，轴外光线的很大部分将不能通过转像 系统和目镜，可在中间实像面上或其附近加一适当光焦度 的正透镜，把轴外光线压低以通过整个系统，这样不必增 加后面光学元件的口径。这种透镜称为场镜，对系统的光 焦度和放大率和像的位置几乎不产生影响。
tgwmax ymax 2f
底片的对 角线长度 广角 物镜
远摄 物镜
（二）分辨率 摄影系统的分辨率由物镜的分辨率和接收器的分辨率
决定，是以像面上每毫米内能分辨开的线对数表示。
23
设物镜的分辨率为NL,接收器的分辨率为Nr，则系统分 辨率N为： 1 1 1
N NL Nr
物镜的 光圈数
五、显微镜的景深 当眼通过显微镜调焦于某一平面（对准平面）时，在对准平面前和 后一定范围内的物体也能清晰成像，此距离即为显微镜的景深。 一种为不考虑眼睛调节能力时显微镜本身的景深，为几何景深；另 一种为考虑眼睛调节能力带来的景深，为调节景深。 六、显微镜的照明方式
①透射光亮视场照明。光通过透明物体产生亮视场。 ②反射光亮视场照明。对不透明的物体，从上面照射产生漫射或规 则的反射形成亮视场。 ③透射光暗视场照明。倾斜入射的照明光束在物体旁侧向通过，光 束通过物体结构的衍射、折射和反射，射向物镜，形成物体的像， 则获得暗视场。 ④反射光暗视场照明。在旁侧入射到物体上的照明光束经反射后在 7 物镜侧向通过，若无缺陷的放射镜作为物体，得到一均匀暗视场。
120 D
因望远镜是目视光学仪器，受人眼分辨率限制，即两个物点 通过仪器后对人眼的视角必须大于人眼的视觉分辨率1‘。
60
60 D 2.3 140 D
D
即为满足分辨率要求的最小视觉放大率，称为有效放大率（ 正常）。为看起来舒服常取Γ的2~3倍，称为工作放大率。 14
是其与目镜焦距之比。
16
由牛顿公式得： lF P
f e2
fo
f e
P l F
f e
因此，相对镜目距： P lF 1 f e
f e
可见当Γ较大时，镜目距近似等于目镜的后截距。即：
P lF
三、工作距
指目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离。目镜的视场 光阑与物镜的视场光阑重合，位于目镜的前焦平面上。为 适应近视眼与远视眼的需要，视度是可以调节的，因此工 作距要大于视度调节的深度，视度调节的范围一般在 ±5D。
fe' ' fo
fo' ' fe
开普勒 望远镜
10
其视觉放大率为： tg仪 tg(像方视场角) f0 D tg眼 tg眼 (物方视场角) f e D 手持望远镜的放大率不超过10倍，大地测量望远镜大约 为30倍，天文望远镜更高。 开普勒望远镜成倒像，需加入转像系统成正像。转像系 统分为棱镜转像系统和透镜转像系统。 棱镜转像系统用于筒长较短且结构紧凑望远镜中。不改 变其放大率。
21
§7-6 摄影系统
摄影系统是把平面或空间物体成像于感光元件接收面上的 光学系统，由摄影物镜和感光元件组成。
包括：照相机、电影摄像机、显微摄影系统、照相制版仪 等。
一、摄影物镜的光学特性 特性参数：焦距、相对孔径、视场角。
决定成 像大小 决定像 面照度 决定成 像范围
（一）视场 视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。
2y D
视场光阑的大小 D 2 f etgw 500tgw D 250 应与目镜的视场 f e e 角一致： e 表明：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物空间 3 的线视场越小。
500tgw 2y e 500tgw
三、显微镜的出瞳直径
其视场角达40°，相对镜目距达0.7，适用于测量仪器。
19
艾尔弗 目镜
其视场角达70°，相对镜目距达0.7，是最常用的一种广角 目镜。
惠更斯 目镜
其视场角达40°~50°，相对镜目距达0.33，焦距不小于 15mm。
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长出瞳 目镜
其视场角达50°，用于军用仪器。 目镜的种类较多，设计时在满足光学特性要求时，兼顾 成像质量和结构的简单化。
柯勒镜的孔阑 物镜的视阑
柯勒镜的视阑 物镜的孔阑
柯勒照明是“窗对瞳，瞳对窗”的光管，调节光阑2有利于 减少有害的散射光。调节1减少有害的杂散光，提高对比度。
9
§7-4 望远镜系统
望远镜系统是一种能把远距离物体的张角放大，便于进行观察和瞄 准的目视光学仪器。
一、工作原理 使入射的平行光束仍保持平行射出的光学系统。其物镜的像方焦点 和目镜的物方焦点重合。即光学间隔Δ=0，是无焦系统。 望远镜的物镜f0‘>0,目镜有两种：fe‘>0为开普勒望远镜。 放大率：
三、望远镜的视场 开普勒望远镜的物镜框是孔径光阑，也是入瞳；出瞳在目镜 外面，与人眼重合。目镜框是渐晕光阑，一般允许有50%的 渐晕。物镜的后焦面上放置分划板，为视场光阑。
因此，望远镜的物方视场角ω满足： y 分划板 tg 半径 f 0 其2ω一般不超过15°，人眼观察时，必须满足光瞳相衔接， 才能看到望远镜的全视场。 15
普通显微镜，物镜框是孔径光阑。复杂物镜，其最后镜组的镜框为 孔径光阑。测量用显微镜，物镜像方焦平面上设置专门的孔径光阑， 经目镜所成的像为出瞳（直径为D‘）。则有： ny sin u ny sin u
n sin u yn sin u y n sin u f o
NA=nsinu称为显微物镜的数值孔径，与物镜的垂轴放大 率一起，刻在物镜的镜框上，是一重要光学参数。
想分辨率
5
距离为σ的两个点不仅被物镜分辨，且通过显微镜放大， 能被眼区分开，设眼的分辨角距离为2‘~4’。 则在明视距离上对应的线距离σ‘为：
2 250 0.00029mm 4 250 0.00029mm
0.5 2 250 0.00029mm 4 250 0.00029mm NA
表明：感光底片上的照度分布极不均匀。同一次暴光中，
可能中心过度，边缘不足。一般通过采用可变光阑（光圈 ）来控制孔径光阑的大小。使用者根据天气选择。 国标规定F数为：1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16， 22，32。 像面照度E′与暴光时间t的乘积为暴光量。若F提高一档，则 暴光时间增加一倍，才能保证暴光量不变。 二、摄影物镜的类型
生物显微镜多为透明标本，常用透射光亮视场照明，分为 临界照明和柯勒照明。 临界照明：把光源的像成在物平面上，故光源表面亮度的 不均匀性会影响显微镜的观察效果。
8 聚光镜的出瞳和像方视场分别与物镜的入瞳和物方视场重合。
柯勒照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺点， 它由两组透镜组成，前组透镜为柯勒镜，后组透镜为成像 物镜。
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应用光学第七章理想光学系统的分辨率
球差－系统对轴上物点单色粗光束，成像时所产生的 像差，分两种：
1、轴向球差 2、垂轴球差
L'L'l' T'L'taun '
下面讨论：球差的表示方法及一般特性
LLl
轴向球差
说明
(1) 球差是轴上点唯一 的单色象差。
(2) L是孔径的函数，即由轴上一点发出的光线，角U不 同，通过系统后有不同的 L 值 由此可见：有许多的 L 值
应用光学
Applied Optics
像差与像质评价
➢理想光学系统的分辨率
1、光学系统成像：
n -u A
2、衍射成像：
n’
umax’
A’
➢成像质量评价
分辨率检验 使用密集线条的图案作为物平面，经过系统成像后， 在像平面上检查所分辨的最小间隔作为该系统分 辨率的指标。
星点检验
检验时使用带有微孔的星点板，一般用眼睛直接观 察星点板的星点像，对于显微物镜等小像差系统主 要看星点像的大小和形状
由两部分组成：一部分是折射面本身所产生的球差 L ；另
一部分是折射面的物方球差乘以该面的转面倍率或者轴向放
大率。
L L L
nusinU
LnsuiU nLL
nusiU n
nusinU
n u 1 2 Ss U n uL i s in n U ns LU u L i n n u s U L i n 12 S
象散
它是轴外斜光束缩到无限细以后，虽然由于光束不对称 引起的彗差不存在了，但象散和象面弯曲是存在的。
入射光瞳
A
a z
B t
•
B s
S s1 •
•
•B s 2
精品课件-物理光学与应用光学_第三版(石顺祥)-第7章
(7.1-4)
上式中Γt和Γr分别称为折射和反射偏向常数。在上面两式等号
两边同时点乘N0
N0·A=n cosI, N0·A′=n′cosI′, N0·A″=－n cosI″
(7.1-5)
可以得到
18
第 7 章 几何光学基础
图7-4 反射和折射定律矢量关系
19
第 7 章 几何光学基础
(7.1-6a)
n
(7.1-8)
时， 光线将完全被界面反射。
21
第 7 章 几何光学基础 在实际的光学应用中，对于反射光线的几何光学元件总是希 望有高的反射率，为此在几何光学元件表面一般都镀有金属膜或 增反介质膜。但是金属膜层对光有吸收作用，增反介质膜的反射 率与光波的波长有关，很难保证在一个比较宽的光谱范围内都具 有高的反射率。相比之下，利用光在界面发生全反射来代替金属 膜反射，可以减少光能的反射损失，且具有很宽的光谱范围。所 以全反射在光学仪器中有广泛的应用， 例如在光学系统中，经 常利用全反射棱镜代替平面反射镜。
9
第 7 章 几何光学基础
7.1.2 几何光学理论是以实验定律为基础的理论。为了研究光在介
质和光学系统中的传播路径，历史上，人们从不同角度描述光的 传播路径，形成了多个基本定律。这些定律主要有光的直线传播 定律、光的独立传播定律、光的折射定律和反射定律、费马原理 和马吕斯定律。
1. 在各向同性的均匀介质中，光沿着直线传播，这就是光的直 线传播定律。这是一种常见的普遍规律。光波在均匀介质中传播 时，如果遇到的障碍物大小或通过孔径的大小比波长大得多，衍 射可以忽略，就可以基于光的直线传播定律分析光波的传播。例 如，利用光的直线传播定律可以很好地解释影子的形成、日蚀、 10 月蚀等现象。
第七章 CCD应用中的光学系统 - 副本资料
w/
2
D/
F1/(F2) 分划板 -f
l2/ 眼睛 目镜
A/// y/// B///
图8-37 望远系统成像原理
36
两面凸透镜
物镜：成倒立缩小的实像
目镜：成正立放大的虚像
望远镜原理
37
望远系统的视角放大率是物体经过望远系统所成的像对 人眼张角的正切值tgω/，与人眼直接观察物体时物体对人眼张 角的正切值tgω之比。其计算公式为 Г= tgω// tgω=-f/物/f/目 式中， f/物为望远物镜的焦距；f/目为目镜的焦距。 由此式可见，只有物镜的焦距大于目镜的焦距时，望远 系统才有视角放大作用。而且当目镜的焦距一定时，要求有
δ=0.5λ/(NA) 由以上公式可以看出，物镜在像差校正好以后，对一定波长的
光线，分辨率完全由物镜的数值孔径所决定。数值孔径越大，分辨
率越高。所以提高分辨率的主要途径是增大数值孔径。
31
当物方介质折射率为空气时，物镜最大的数值孔径为1，一 般只有0.9左右。而在物体和物镜之间浸以高折射率的液体，如
折射棱镜1273光学系统中光阑的作用一孔径光阑入射光瞳和出射光瞳二视场光阑三渐晕光阑四消杂光光阑1374常用光电图像转换系统的成像特性以ccd器件作为接收器的光学系统主要是由成像物镜和ccd器件组成的物体经物镜成像在ccd器件上因此成像物镜的光学特性决定了系统的使用性能
第七章 CCD应用中的光学系统
成下列形式
2 E0 ( )2 4 f ( ) 2
KL D
20
由上式可见，像面照度与相对孔径的平方成正比，相
对孔径越大，像面照度也越大。 轴外像点的照度与视场角有关，它与视场中心的 像面照度有以下关系 E E0 cos4 w 常见照相物镜的相对孔径为1∶4.5-1 ∶2。 在摄影物镜的外镜筒上，刻有与相对孔径对应的 数字和指标。数字为相对孔径的倒数，俗称为F数或 光圈数。
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。
(光学测量技术)第7章光学系统像质检验与评价
第7章 光学系统像质检验与评价
一、 检验光学系统的共轴性 检验前，应调节待测系统光轴与平行光管光轴准确一致。 在此基础上，用白光照明，如果所观察到的衍射环不同心， 或同一环上光能分布不一致，或颜色不一样，则表明待测系 统的共轴性遭到破坏。共轴性检验在多组分离物镜的装配过 程中使用最多，也非常重要，由此可将各组间的光轴调到严 格同轴。
为了便于观察，一般取人眼的分辨角 α =2 ' ~4 ' ，代入上式 则有
当显微镜的数值孔径选定后，其垂轴放大率 β 也就确定 了。因此，只要合理选择目镜的放大率，即可满足显微镜总 放大倍率的要求。
第7章 光学系统像质检验与评价
三、 前置镜参数的选择 若对望远系统或其它平面光学元件做星点检验，则应采 用前置镜进行放大观察。对前置镜除要求像质好外，还应使 其入瞳直径大于待测系统出瞳直径，放大率满足人眼分辨星 点像细节的要求。第一、二衍射亮环经待测望远系统后的角 距离 Δ θ' =Δ θΓ =1.044 λ / D' 。显然，前置镜放大率应为
第7章 光学系统像质检验与评价 上式所代表的几何图形及各量物理意义如图 7.1 所示。
图 7.1 衍射受限系统参量与艾里班光强分布
第7章 光学系统像质检验与评价
艾里斑是由中央亮斑及若干亮度迅速减弱的同心外环组 成的。艾里斑各极值点的相关数据见表 7－1 。
第7章 光学系统像质检验与评价
计算表明，理想星点像的光强分布不仅是轴对称的，而 且最佳像面前、后对称截面上，其星点衍射像的光强分布也 是对称的。
第7章 光学系统像质检验与评价 7. 1. 2 星点检验装置
对于透镜型的光学系统或零件，星点检验的装置主要由 焦面上装有星孔光阑的平行光管和观察显微镜组成，如图 7. 2 所示。
典型光学系统与设计-
反射式望远镜的例子：
为什么又有了折反望远镜？
反射和折射望远镜各有优劣 反射可以无色差，但校正其他像差困难 折射可以矫正其他像差ห้องสมุดไป่ตู้但校正色差困难 于是折反射就是综合利用了两者的优势
折反射望远镜，是在球面反射镜的基础上， 再加入用于校正像差的折射元件，可以避 免困难的大型非球面加工，又能获得良好 的像质量。
NEC GT1150投影机光学系统实物图
对光学设计而言，设计投影系统，一是要让整体结构尽量紧 凑，尺寸小，重量要轻。此外好的照明系统，和好的物镜都 是设计的关键
投影的小型化趋势
投影仪就是把待投影的图像放在一个物镜一倍和二倍焦距之 间，这样能在远处的屏幕上成像。但其实际结构却复杂的多， 以我们教室头上的投影仪为例，它的内部是怎样的呢？
注意:在投影机中所使用的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并没有 针对红、绿、蓝等颜色差别。为了清晰再现图像色彩，它其实是使用了 三张LCD液晶板来分别再现三种颜色，然后再经过光学系统的把这些分 离的颜色合成再一起，投影在屏幕上，就组成了一副完整的图像。
施密特望远镜：
它在球面反射镜的球心位置处放 置一施密特校正板。它是一个面 是平面，另一个面是轻度变形的 非球面，使光束的中心部分略有 会聚，而外围部分略有发散，正 好矫正球差和彗差。
马克苏托夫望远镜 ：
在球面反射镜前面加一个弯月型透 镜，选择合适的弯月透镜的参数和 位置，可以同时校正球差和彗差。
以马克苏托夫望远镜为例：
而要定义物体的大小，则必须从 Syetem菜单field data子菜单里录入 这里我们先后考察三个物体，分别为 轴上点、轴外9mm、轴外12.5mm物 体。
定义透镜表面参数
设置变量，开始优化 使用默认目标函数
(整理)浙大应用光学(完整版)
我们身边有哪些光学仪器与系统？•什么是光学？--- 研究有关光的本质及其规律的科学物理光学几何光学生理光学量子光学研究光的波动本质研究光线传输及成像研究人身的光学现象研究光的量子性•应用光学课程包括哪些主要内容？几何光学像差理论典型光学系统光学系统设计• 几何光学--- 研究光线经光学系统的传播而成像，主要目的是根据技术条件设计出符合要求的光学系统。
•像差理论--- 成像并不理想，产生缺陷有误差( 如哈哈镜)•典型光学系统---- 最常用的或以往的设计出的光学系统的特点眼睛2) 显微镜3) 望远系统4) 摄影系统5) 放映系统没有万能的光学系统•设计光学系统---- 了解技术条件。
使设计出的光学系统能满足这些技术条件。
如观察范围。
画面大小。
光线波长。
倍数。
体积和照明条件。
•实验很重要哦光组成像特性光组焦距测量材料参数测量典型光学系统•您想发挥自己的智慧、展示自己的个性与才华吗？请参加光学系统CAD要编个程序使用国际通用软件要与同学合作看谁干得更好答辩评分习题：一次~ 二次/ 章第一章几何光学的基本定律本章要点：1. 发光点、波面、光线、光束2. 光的直线传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律及其矢量形式3. 全反射及临界角4. 光程与极端光程定律（费马原理）5. 光轴、顶点、共轴光学系统和非共轴光学系统6. 实物（像）点、虚物（像）点、实物（像）空间、虚物（像）空间7. 完善成像条件§1-1 发光点、波面、光线、光束返回本章要点发光点---- 本身发光或被照明的物点。
既无大小又无体积但能辐射能量的几何点。
对于光学系统来说，把一个物体看成由许多物点组成，把这些物点都看成几何点( 发光点) 。
把不论多大的物体均看作许多几何点组成。
研究每一个几何点的成像。
进而得到物体的成像规律。
当然这种点是不存在的，是简化了的概念。
一个实际的光源总有一定大小才能携带能量，但在计算时，一个光源按其大小与作用距离相比很小便可认为是几何点。
应用光学第七章理想光学系统的分辨率
三 消色差
– 单色光的色差无法消除； – 将两个不同材料做成的正透镜和负透镜胶合起来，可
对选定的两种波长消色差； – 用相同材料做成的两个薄透镜组合起来，并且使其间
距等于：
d f1 f2 2
可对某波长附近的光消垂轴色差。
问题：反射式光学系统有无色差存在？
球差
• 定义
轴上点A发出的某孔径带的光线与近轴光线交于不同 点，形成球差
(2) 其形状为：
B
KT
BT
彗差的危害：把物面上的轴外点成象为彗星状的弥散斑， 破坏了轴外视场的成象清晰度。因此，光学系统必须对 彗差进行校正。
(5) 弧矢彗差
弧矢慧差
K S
B
•
A
B S
dz
c
B
B z
B c
B d
彗差图形
• 讨论 1)物点离光轴越远，彗差越大 2)对给定的离轴物点，成像光束愈大，彗差愈大 3)与透镜的形状和物点的轴向位置有关
可见：边缘光的球差近似为零，其他带的光线都有 剩余球差存在的
彗差
入射光瞳
a
A
z
子午慧差
KT 0 B
Y z
•
BT Y a
b
辅轴
Y b
B 折射前主光束是光束的轴线
折射K后T主光12束(Y不a再Y是b)光束Yz的 轴线
由上可见:对于同一视场,不同的孔径,慧差也不同. 结论 (1) 慧差是和视场及孔径都有关的一种垂轴象差。
应用光学
Applied Optics
像差与像质评价
➢理想光学系统的分辨率
1、光学系统成像：
n -u A
2、衍射成像：
n’
umax’
几何光学第十二讲[典型 光学系统1]
目镜 F眼’ 正常眼
物镜
F眼’ 近视眼
F眼’
远视眼
四．眼睛的辐射接收器（适应特性）
人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。 这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情况适 应的过程 称为适应 适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生的变 态过程，可分为对暗适应和对光适应两种，前者发生在 光亮处到黑暗处的时候，后者发生在自黑暗处到光亮处 的时候。
§７-1 人眼及其光学系统
一、眼睛的结构——成像光学系统
1）水晶体——变折射率——校正球差 2）视网膜——表面为匹兹伐曲面——校正匹兹伐场曲 3）盲点——神经纤维的出口，由于没有感光细胞而不能 产生视觉 4）倒立的实像——与感觉神经分布有关——正像视觉 5）类似的摄影系统 6）虹膜——控制眼瞳大小（瞳孔）——孔径光阑
水晶体
盲斑
似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高 成像质量。水晶体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌 能改变水晶体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜 前室 水晶体 盲斑 虹膜 视网膜 脉络膜 黄斑中心凹
锥状细胞:色视觉 杆状细胞:光视觉
五、眼睛的分辨率（分辨本领）
• 人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学 仪器设计的重要依据之一。 • 用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼时也可据 此作为参考。
• 眼的分辨能力：眼能够分辨最靠近两相邻点的能力称为眼的 分辨能力，或视觉敏锐度。指的是成像在中央凹区时的分辨 能力。
F'
最常见的有近视眼和远视眼
所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（r < 0） 对应着负视度，配上 适当的负光焦度眼镜后，即 可使无限远物 体成像于眼睛的远点上，然 后再经眼睛成 像于网膜上，因而眼 镜矫正了眼睛的缺陷。
应用光学教学课件完整
※从上述定律可以得到光线传播的一 个重要原理—光路的可逆性原理。利 用这一原理，可以由物求像，也可以 由像求物。
• 图1-9
※光学系统 的作用之一是对物体成像，因此必须搞 清物像的基本概念和它们的关系。
※物体通过光学系统（光组）成像，光学系统(各 种光学仪器)由一系列光学零件 组成。。
※光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，
全反射现象
当
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。
光 由
由公式 n sin I n' sin I ' 可知
光
密
sin I sin I '
介 质
射
即折射光线较入射光线偏离法线
向
光
疏
sin I ' 不可能大于1，此时入射光线将不能射入
另一介质。
按照反射定律在介面上全部被反射回原介质
原点
+
-
原点
※ 原点规定：
（1）曲率半径 r ,以球面顶点O为原点，球
心C在右为正，在左为负。
E
A
C
O +r
E
A
C
-r O
（2）物方截距L 和像方截距L’ 也以顶点O为原点，到光线
与光轴交点，向右为正，向左为负。
E
A
A’
O
C
-L
+L’
E
A
A’
O
C
-L’
-L
（3）球面间隔 d 以前一个球面的顶点为原点， 向右为正，向左为负。
（在折射系统中总为正，在反射和折反系统中才有为负的情况）
O1
O2
+d
O1
O2
• 图1-9
※光学系统 的作用之一是对物体成像，因此必须搞 清物像的基本概念和它们的关系。
※物体通过光学系统（光组）成像，光学系统(各 种光学仪器)由一系列光学零件 组成。。
※光学系统一般是轴对称的，有一条公共轴线，
全反射现象
当
一般情况下，光线射至透明介质的分界面时将发 生反射和折射现象。
光 由
由公式 n sin I n' sin I ' 可知
光
密
sin I sin I '
介 质
射
即折射光线较入射光线偏离法线
向
光
疏
sin I ' 不可能大于1，此时入射光线将不能射入
另一介质。
按照反射定律在介面上全部被反射回原介质
原点
+
-
原点
※ 原点规定：
（1）曲率半径 r ,以球面顶点O为原点，球
心C在右为正，在左为负。
E
A
C
O +r
E
A
C
-r O
（2）物方截距L 和像方截距L’ 也以顶点O为原点，到光线
与光轴交点，向右为正，向左为负。
E
A
A’
O
C
-L
+L’
E
A
A’
O
C
-L’
-L
（3）球面间隔 d 以前一个球面的顶点为原点， 向右为正，向左为负。
（在折射系统中总为正，在反射和折反系统中才有为负的情况）
O1
O2
+d
O1
O2