几何光学PPT学习教案

望远镜的瞄准精度。
解：夹线瞄准形式下眼睛的瞄准精度 a 10，则望远镜的瞄 准精度
a a 10 1 10
例 天文望远镜物镜口径D=1000mm，问视觉放大率应取多少？
解：
D 1000 435 2.3 2.3
实际放大率可取该值的两倍，
800
第35页/共54页
望远镜的物镜
1) 望远物镜的光学特性 望远物镜的光学特性用焦距 fo 相对孔径 D / fo
D视 2y 21mm
7)求物方线视场的大小
2y 2y 21 7m m 3
8)求物镜的焦距
由高斯公式
f0
l 1
45m m
第48页/共54页
9)求共轭距(存在等效空气平板)
l l 1l 240mm
10)求物镜的通光口径D物和孔径光阑直径D孔
D物 2l NA y 20.2mm
第51页/共54页
思考 像差理论和像质评价
哪些因素造成了像差的存在？ 像差的类型？分别对像质产生什么影响？ 什么情况下不存在色差？不存在任何像差？ 如何减小像差？ 如何减小像差对测量精度的影响？ 系统的畸变能否为零？ 几种像质评价方法的原理、适用场合。 理解空间频率和光学传递函数的含义。
第50页/共54页
思考 光学系统中的光束限制
光阑的类型及作用。 图像边缘较暗的原因？如何使照度均匀？ 两系统相接，在光束限制方面应有何要求？ 如何确定某光束的主光线？ 如何改变主光线的位置？其意义？ 一细长的多透镜光学系统很可能视场很小，为什么？如何使
视场变大？ 如何增大或减小景深？ 景深的正反两方面作用。
正确物平面
刻尺平面
思考：像方远心光学系统？
第30页/共54页
望远 镜
视觉放大率 tg fo tg fe
或 D / D
第31页/共54页
望 远 镜的作用
1）观察 2）瞄准、测量 3）平行光束的扩束、缩束 4）改变光束发散角 5）改变组合系统的焦距
第32页/共54页
第33页/共54页
望远镜的放大率的确定
第11页/共54页
折射棱镜
现在不用了！为什么？
第12页/共54页
2 眼睛: 视度、调节能力、景深
1)眼睛的调节能力表示为 A 1 1 R P
rp
R 1 称为远点视度，
r
P 1 称为近点视度.
p
2)调节能力A与年龄的关系
年龄
调节能力A
3) 近视眼、远视眼、散光眼 4）景深
1、注意调节能力和景深的差别。 2、老花眼等于远视眼吗？
物镜的放大率取小一些，目镜的放大率可适当取大一些， 但也不能太大，以免镜目距过短。再综合考虑到物镜放大 率和数值孔径的关系以及目镜放大率的通用性， 取物镜的放大率
3
目镜的放大率
e
10
第47页/共54页
5)求目镜的焦距
fe
250 e
25m
m
6)求视场光阑（分划板）的直径D
考虑到像质及物方线视场的大小，取视场光阑的直径
第13页/共54页
眼睛的缺陷及其矫正
近视眼的矫正
远视眼的矫正
如何确定眼镜度数？
第14页/共54页
分辨率和瞄准精度
1）眼睛能分辨两个很靠近的点的能力称为眼睛的分辨 率。在明视距离处对应的线距离约为0.0725毫米。
2）在光学测量中，常用某种标志对目标在垂直于光轴 的方向上进行重合或置中，这一过程称为瞄准，此标志 即瞄准标志。瞄准后，偏离完全重合或置中的程度称为 瞄准精度 .
目镜的放大率、物镜的数值孔径、物镜的焦距以及工作距离。
解：1）显微镜的有效放大率 2）物镜的数值孔径
72.5 36 ，取实际放大率为 72
2
NA 0.61 0.61 0.55 0.17
2
3）考虑到物镜的放大率与数值孔径的关系，取物镜的放大率为 6
则目镜的放大率为 e 12
4）一般生物显微镜共轭距( l l )国家规定为195毫米，则工作距离 l l l 195 27.9 mm 1 7
第6页/共54页
光学比较仪
光学比较仪（光学杠杆）的测量精度受哪些因素的影响？
第7页/共54页
双平面镜和角锥（棱）镜
1、角锥（棱）镜的作用？ 2、比较双面镜和角镜在成像和变换光束过程中的异同 。
第8页/共54页
平行平板
1、平行平板是否有像差？ 2、等效空气平板的含义和应用。 3、怎样极精细地改变一支光路的光程？这种做法的意义？
72.5 72.5 24
k 2.5 1.2
由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又 要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜 的放大率均不宜过大。取实际放大率为
30
第46页/共54页
3)求数值孔径
NA 0.61 0.61 0.00055 0.11
k
31
4)求物镜和目镜的放大率
第43页/共54页
光 学 系 统 结 构 示 意 图
第44页/共54页
等效光路原理图
第45页/共54页
（2）外形尺寸计算 1)首先绘出光学系统的光路原理图 。 如图所示，首先将棱 镜作为等效空气平板处理。 2)求实际放大率 系统的有效放大率由系统的瞄准精度决 定。用米字形虚线瞄准被测件轮廓，得系统有效放大率
1)根据望远镜的用途确定视觉放大
率 对于观察望远镜，有
对于测量望远镜，有 a a
2)根据物镜口径确定视觉放大率
根据衍射理论和瑞利判据，有
o
1.22 D
( 2.3) D
为充分利用望远镜的分辨率，有
/ D / 2.3
第34页/共54页
望远镜的放大率的确 定 例 经纬仪望远镜视觉放大率 10 ，使用夹线瞄准形式，求
第9页/共54页
反射棱镜 作用：转折光轴、转像、倒像、扫 描
此棱镜作用？
第10页/共54页
思考 棱镜
1、棱和脊的区别。 2、反射棱镜中是否有折射现象？ 3、哪些情况下采用屋脊棱镜？ 4、含有棱镜的光学系统的设计步骤。 5、如何确定屋脊棱镜的垂直度公差？ 6、采用双像（点对称和轴对称）棱镜的好处？
设计步骤
1 确定光学系统的结构原理方案 2 进行外形尺寸的计算
第42页/共54页
设计实 例 例 设计—个万能工具显微镜主显微镜系统（不包括照明系
统）。主显微镜系统的瞄准精度 1.2m ，工作距离为 60mm。 解：(1）确定系统的结构原理方案 如图所示，物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合， 两者一同经目镜成一放大的虚像。棱镜的型式为斯米特屋 脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折45°角，以 便于观察和瞄准。为简便起见，物镜和目镜均按薄透镜处 理。为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光 路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。
显微镜的照明
透射光照明系统
系统
临界照明
柯拉照明 第27页/共54页
显微镜的照明系统
反射光照明系统
第28页/共54页
孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳
定义：-----------，三者共轭。 作用： 1、光照度，2、分辨率，3、景深，4、远心系统，5、像差
第29页/共54页
物方远心光学系统
定义：物方主光线平行于光轴，相当于其会聚中心在物方无穷远 。 作用：调焦不准并不影响测量结果。
3）分辨率 和瞄准精度 的关系
K
K =(1～12) 不同瞄准方式有不同的 K 值。
4）区别：分辨率概念适用于观察仪器，而瞄准精度概念 适用于 测量仪器。
第15页/共54页
视觉放大率
1）定义
tg / tg
是直接看物体时物体对眼睛的张角， 是通过目视
光学系统观察物体时，其像对眼睛的张角。
1）焦距 f
（长焦、短焦、变焦）
2）相对孔径 D / f
物镜的像面分辨率
1、
作用：
N 1490D f
（线/毫米）
2、视场中心的像面照度
E
' 0
1 4
kL
D f
2
相对孔径倒数值，称其为F数与光圈 数。
3）视场角2
第39页/共54页
摄影物镜的类型
普通摄影物镜
长焦距摄影物镜
短焦距摄影物镜
第40页/共54页
应用在目视光学系统。
2）其它的放大率及应用 1、横向（垂轴）放大率 2、角放大率 3、轴向放大率
第16页/共54页
思考 成像系统
比较景深和调节的不同。 如何校正远视眼和散光眼。 分辨率和瞄准精度的区别及联系。 如何提高系统的瞄准精度？ 视觉放大率和垂轴放大率分别适
用于哪类仪器？
各类成像仪器的视场分别受哪些 因素限制？ 第17页/共54页
视场角2
2) 望远物镜的类型： 折射式望远物镜 反射式望远镜物镜 折反射式望远物镜
第36页/共54页
转像系统和场镜
棱镜转像系统和透镜 转像系统各自的优点 ？
双组透镜转像系统
场镜的作用
第37页/共54页
4 摄影系统和投影系统
摄影系统的工作原理1
摄影系统的工作原理2
第38页/共54页
摄影物镜的光学参数及其作用
几何光学
会计学
1
思考：基本概念和理想系统
提出光线和光束概念的意义？ 形成钻石外观效果的原因。 日出或日落的太阳略显扁平，为什么？ 水下观星空，会感受到什么变化？ 可逆性原理有何应用？ 如何拍摄一虚像？ 构思一包含实物、实像、虚物、虚像概念的系统。 眼睛能够观察到实像吗？ 放电影时必须有屏幕，为什么？ 光纤弯曲对反射率的影响。 相对折射率概念的意义。
典型成像光学系统
1 平面和平面系统 2 眼睛 3 目视光学系统 4 摄影系统和投影系统 5 光学系统的外形尺寸设计
第4页/共54页
平面镜 双平面镜 平行平板 反射棱镜 折射棱镜
1 平面和平面系统
第5页/共54页
平面镜
1、对称 2、左手坐标系 系
右手坐标
一个像能否既是一致像，同时又是倒像？
2）显微镜的线视场为
NA 0.61
3）显微镜的景深 ：
2 y 500tg
随着倍率的增大，显微镜景深会急速减小。
景深大好还是小好？
4）显微镜放大率的确定
观察显微镜：
72.5
测量显微镜：
72.5 K
第21页/共54页
显微镜
例 一台生物显微镜的分辨率 2m ，求该显微镜的放大率、物镜和
变焦距摄影物镜
投影系统
F y
-X
y’ F’
f
X
1）照明系统可分为透射照明和反射照明。为实现物面均 匀照明，可采用柯拉照明方式。 2）选用倒置的摄影物镜作为投影物镜一般能满足投影系 统对相对孔径和视场的要求。 3）有的投影系统（如光刻投影系统）对畸变有极高要求 。
第41页/共54页
5 光学系统的外形尺寸设计
第2页/共54页
理想光学系统理论的含义及其在 光学设计中的作用。
为什么说知道了基点的位置就能 够完全了解理想光学系统的成像 特性？
有几种方法确定一实际光学系统 的基点位置？
几种实际光学系统焦距的测定方 法，试估计各自精度。
长焦摄影镜头和变焦摄影镜头的 作用？为什么？ 第3页/共54页
远摄型光组和反远距型光组的应
低倍物镜
平像场复消色差物镜
中倍物镜
高倍物镜
反射式物镜
第24页/共54页
显微镜的
目镜 显微镜目镜的光学性能参数
1）像方视场角 2
2）焦距
fe
3）出瞳距
p
4）视度调节--目镜轴向移动
5）工作距离s
第25页/共54页
常用目镜型式：
冉斯登目镜
开涅尔目镜
对称式目镜 镜
无畸变目镜 第26页/共54页
艾尔弗目
放大镜
tg / tg 250/ f
第18页/共54页
显 微 镜
第19页/共54页
显微 镜
250/ f
FoFe 称为光学筒长
或
f 0
250 f e
e
:物镜的垂轴放大率， e:目镜的视觉放大率
第20页/共54页
显微镜
1）显微物镜的数值孔径 NA=nsinU 与显微镜的物方分辨率 的关系
D孔 2 fo NA 9.9mm 11)求斯米特屋脊棱镜的各尺寸 12)求出瞳的位置 和口径
第49页/共54页
思考 成像系统
很高的显微镜放大率带来的正面和负面影响。 概述数码显微镜光学系统外形尺寸设计的主要步
骤。 天文望远镜的物镜口径、焦距很大，为什么？ 望远系统的几个应用。 如何选用目镜？ 几何光学理论能否适用于非可见光频段？为什么？
物镜的焦距
f o
l
ll l
23.9
mm
第22页/共54页
显微镜的物镜
1）显微镜物镜的光学性能参数
主 要 性 能 参 数是 ：数值 孔径NA和 垂 轴 放大 率β。
2）显微镜物镜的类型
折色差物 镜 平像场（复）消色差物镜
折反射式
第23页/共54页
显微镜物镜的类型
第1页/共54页
测量（固、液、气）的折射率，并估计测量精 度。
测量（固、液、气）的折射率梯度。 符号规则的意义。 远轴如何演变成近轴？意义？ 牛顿公式和高斯公式的关系？各自应用的场合？
注意单折射面和单薄透镜的高斯物像公式和放 大率公式的联系和区别。
几种放大率的应用场合。 图解法、解析法和特性曲线法的优点。 色散的定义及色散元件的种类。 色散现象的正反两面作用。