应用光学【第三章】第二部分
应用光学0322-3
意义:J 不仅对一个折射球面的两个空间是不变量,而且对整个 共轴球面系统的每一个面的每一个空间都是不变量. 三, 共轴球面系统的放大率 利用转面公式去求出具有 k 个面的光学系统这些量. 1. 垂轴放大率β 整个光学系统的垂轴放大率(横向放大率)定义为:
' yk β= (即最终像高与物高之比) y1
由图
' = I 2 = 2.8746 0 h2 (0.02) L'2 = = = 0.4426 ' 0.045 tg ( I 2 )
L'2 = 0.4426 (与光轴交点)
(4)说明问题: a) 实际光线计算得到和光轴的交点为截距,与高斯像面不重合, 存在轴向偏移. b) 实际光线在高斯像平面上交点与理想像点不重合,有高度 h2 , 垂直方向也有偏移,发光点发出近轴光与实际光线在像平面上 的偏差,使成像不能点点对应,即像差,故像由点变成斑,因 而成像不清晰. 说明实际光线成像确有像差. 一个透镜对光轴上一个点物成像(用单色光), 具有单色像差.
利用单球面的折射截距公式:
n ' n n ' n = l' l r
利用 n ' = n ,代入上式得
1 1 2 + = l' l r
此为反射球面的成像公式. 另一形式的反射球面为中心"凸" ,如图所示. 注意:这时成像是利用了实际光线的延长线. 讨论: 球面反射应用广泛,具有许多优点:如反光镜,聚光镜;无色差,波 长范围广,没有吸收;所用材料广泛,如用金属作非球面.
(A)
(此处β为共轴球面系统的) 3. 角放大率γ
' uk 定义式: γ = u1
由转面公式: u2 = u1' , u3 = u2' , , uk = uk' 1 ,作变换
应用光学第二,三章
17. 一 照 明 聚 光 灯 使 用 直 径 为 200mm 的 一 个 聚 光 镜 ， 焦 距 为 f′=400mm，要求照明距离5m远的一个3m直径的圆，问灯泡应安 置在什么位置?
l 如果观察2km处的同一个物体，则视角为：
tg＝ y 0.0003 400 0.00006
l
2000
要求都能看清，也就是要求望远镜的视放大率
＝ tg仪 ＝ tg 0.0003 ＝5 tg眼 tg 0.00006
解法2：利用望远镜原理图及参量关系
tg y目 ＝ y目
f目 400
tg － y物 ＝－ y目
解：
xx' ff ' x' f '2 752
x
x
x x' 0
x 10m x' 0.5625mm
x 8m x' 0.703mm
x 6m x' 0.9375mm
x 4m x' 1.406mm
x 2m x' 2.813mm
7. 设一物体对正透镜成像，其垂轴放大率等于-1， 试求物平面与像平面的位置，并用作图法验证。
(1) L1 300 U1 2
(2) L1
h 10
(1)对三个面依次应用近轴光线光路计算公式，中间变量用入射角和折射角
i lr u r
i n i n
u u i i l r ri
u
u2 u1
l2 l1 d
(2)对三个面依次应用近轴光学基本公式，中间变量用投射高h
u / h 1/ l, u / h 1/ l n n n n l l r
应用光学第二版胡玉禧课件第3章
r = ∞
l ' = −l
即像与物相对于平面镜来说是对称的。(性质1）
第三章 平面零件成像
②放大率公式：
即物像大小一致，且成正像。但左右相反。（性质2）
第三章 平面零件成像
3、镜像与一致像 1）所谓镜像是指物体经平面反射镜成像时，像和物大小 相等形状不同，若物为右手坐标，像为左手坐标，这种 像称为镜像。见图3.10 特点：像与物上、下同向，但左右却颠倒，它可通过奇 数次反射得到。 2）一致像：物为右手坐标， y′
I1 I1′ o2 I2 I2′ o1
α
N M
α
图 3.12
β
第三章 平面零件成像
红旗渠最长的隧道——曙 光洞的施工，利用平面反 射镜将太阳光反射照明； 自行车尾灯——偶镜, 三对偶镜构成的角反射器。
第三章 平面零件成像
潜望镜
第三章 平面零件成像
例2.（补充题） 一光学系统由一透镜和平面镜组成，如图。平面镜MM与透 镜光轴交于D点，透镜前方离平面镜600mm处有一问题AB， 经过透镜和平面镜后，所成虚像A"B"至平面镜的距离为 150mm，且像高为物高的一 半，试分析透镜焦距的正 负，确定透镜的位置和焦 距，并画出光路图。
1、术语 ①偏向角：入射光线与出射光线的夹角。 ②折射棱：二个折射面的交线叫棱。 I ③折射角：二个折射面之间的夹角。 ④主截面：垂直于折射棱的平面。 B 2、最小偏向角δm 偏向角公式：
1
δ
C
图 3.2
(3.6)
第三章 平面零件成像
可见，偏向角δ的大小与折射角α、棱镜折射率n、入射角 I1有关，对于某一棱镜而言，其n， α是一定值，此时只有 一个变量就是I1 ，每给一个I1就有一个δ ， I1不同， δ也不 同， 是个变量。称δ为最小值时的这个偏向角为最小偏向 当δ为最小偏向角时，它具有如下特点：即: I1 =- I2′, I1′=- I2, 当将I1 =- I2′, I1′=- I2 , 代入到偏向角公式时，可得到： (3.7) 角 δ m。
应用光学 赵存华著 I 1-21章精选ppt课件
V（55n5m ）1
V（ ） 1
图1.5 视见函数
1.2.1 光线和光束
人眼睛可以感受的光称为“可见光” 相同波长（或频率）的光颜色相同，称为“单色光” 不同波长光波的混合称为“复色光” 光在透明介质中行进的速度称为“光速” 光波传播时抽象的能传递能量的几何线称为“光线” 一束光线的集合称“光束”
当光线遇到障碍物时会发生光的衍射现象，从而偏离光线的直线 传播。
衍射
双折射
梯度折射率
2.2 光的独立传播定律
在光相交的区域可能发生叠加，甚至发生干涉。不管是哪一种情 况，在光离开相交区域后，光波继续沿着既定的方向向前传播，该 光波身上找不到其他光波对其产生的任何影响，此现象称为光的独 立传播定律。
德国科学家夫琅禾费 （Joseph von Fraunhofer）在研 究太阳光光谱时，把太阳光光 谱中在可见光区域内，某些明 显的线型用英文字母命名，称 为夫琅和费波长，列于右表。
波长/nm 404.6 435.8 480.0 486.1 546.1 587.6 589.3 643.8 656.3 706.5
由折射率定义
n' 1 n 2
sin I 1 sin I ' 2
nsiInn'siIn'
2.6.3 Snell定律的讨论
讨论:
nsiInn'siIn'
1. 如果 nn' 那么 sinIsinI'
所以 I I'
结论: 折射率小的一边相对法线夹角大.
2. 假定: 入射角很小
nIn'I'
如果光波在某种透明介质中的电容率（capacitivity）为ε，磁导率 （magnetoconductivity）为μ，该介质中的光速为
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
畸变
畸变
畸变是目视光学系统成像的一种 失真现象，表现为图像的几何形 状发生变化。畸变分为桶形畸变
和枕形畸变两种类型。
畸变的测量
畸变的测量通常采用畸变系数， 即实际图像与理想图像的几何形 状差异的比例。畸变系数越大，
畸变越严重。
畸变的影响因素
影响畸变的因素包括光学系统的 设计、镜片质量、制造误差等。
望远镜
用于观察远距离物体的目 视光学系统，通常具有较 大的视场和较长的焦距。
摄影镜头
用于拍摄照片的目视光学 系统，通常具有较高的成 像质量。
目视光学系统的基本参数
焦距
目视光学系统的焦距是指 物镜与目镜之间的距离， 决定了系统的放大倍数和 观察距离。
视场
目视光学系统的视场是指 物镜所能够覆盖的视野范 围，决定了观察者能够看 到的物体范围。
眼镜广泛应用于人们的日常生活和工 作，是矫正视力缺陷、保护眼睛健康 的重要工具。
摄影镜头
摄影镜头是一种将景物光线聚焦在感光材料上的目视光学仪器，能够将景物拍摄 成照片。
摄影镜头广泛应用于新闻报道、广告、电影和摄影等领域，为人们提供了记录和 分享美好瞬间的工具。
04
目视光学系统的性能评价
分辨率
分辨率
对比度
对比度
对比度是衡量目视光学系统区分 明暗变化的能力的指标。对比度 越高，光学系统呈现的图像明暗
差异越大，细节越丰富。
对比度的公式
对比度通常用公式表示为"明暗区 域的亮度比值"。比值越大，对比 度越高。
对比度的影响因素
影响对比度的因素包括光学系统的 透过率、反射率、像差等。优化这 些因素可以提高光学系统的对比度。
分辨率
目视光学系统的分辨率是 指系统能够分辨的最小细 节程度，通常以线对数表 示。
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
3 人眼及其光学系统
已知显微镜的视放大率为-300，目镜焦距为20mm，求显微镜物镜 的倍率。若人眼的视角分辨率为60’’ ，则用该显微镜能分辨的两物点 的最小距离是多少？
目
250
f目'
=物目
300
物
250 20
物
24
tan 仪 =
y' f目'
物 24
y' y
tan 60''
明视距离: 眼睛前方250mm 距离处，SD=(1 / (-0.25))= -4 近点距离: 眼睛通过调节能看清物体的最短距离. 远点距离: 眼睛能看清物体的最远距离 最大调节范围 = 近点视度 – 远点视度
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统 不同年龄段正常的人眼调节能力
年龄 10 15 20 25 30 35 40 45 50
'
r'
0.61 n'sin U 'max
0.61 n'(D / 2R)
1.22R n'D
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
'
0.61 n'sin U 'max
1.22R n'D
当满足小角度时，sinU'max=tanU'max=U'max
'
0.61 n'sin U 'max
0.61 n’u '
最大调节范围/视度 -14 -12 -10 -7.8 -7.0 -5.5 -4.5 -3.5 -2.5
近点距离 (mm) 70 83 100 130 140 180 220 290 400
应用光学第三章理想光学系统
对横向放大率的讨论：
像方焦距与物方焦距之比等于相应介质折射率之比。 相应介质折射率之比。 像方焦距与物方焦距之比 根据β的定义和公式，可以确定物体的成像特性： 正立像； （1）若β>0, 即 y 与 y’ 同号，表示成正立像 反之y 与 y′ 异号，成倒立像 倒立像。 （2）若β>0, 即 l 与 l’ 同号，表示物像同侧， 物像虚实相反； 物像虚实相反 反之l 与 l’ 异号，物像虚实相同 虚实相同。
图3-12 作图法求像
(2)图解法求轴上点的像
(3)轴上点经两个光组的图解法求像
图3-13 作图法求光线
图3-14 轴上点经两个光组成的像
一定要看清楚主点和焦点的位置 注意实物、虚物
一定要看清楚主点和焦点的位置
§3.3.2 解析法求像 知道主平面这一对共轭面、以及无限远物点与像 方焦点和物方焦点与无限远像点这两对共轭点, 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。这就是解析法求像的理论依 据。 (1)牛顿公式 (2)高斯公式
(1)牛顿公式
图3-15 牛顿公式中的符号意义
物和像的位置相对于光学系统的焦点来确定
物距： − x 像距：x'
(2)高斯公式
−l ：物距、l'：像距
物和像的位置相对于光学系统的主点来确定
x=l− f x ' = l '− f '
ΔABF ~ ΔHMF ΔA ' B ' F ' ~ ΔH ' N ' F '
(2) 垂直于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，在整个垂轴物平面上无论那一部 分, 物和像的大小比例等于常数(横向放大率)。
《应用光学》第3章 理想像和理想光学系统
n' n n'n
l' l
上式两边同乘以l l'，得
r n'l nl' n'n ll' r
13
上式左边为0，对主点来说，将l'＝n'l / n代入右边得
n'n n' l 2 0 rn
由此得到l＝0，代入nl'＝n'l，又得l'＝0。所以球面
的两个主点H、H'与球面顶点重合。
14
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ、球面焦距公式 按照球面定义像方焦点为无限远
•n1'= n2= 1.5163; •求: lF, lF', lH, lH', f, f'
采用计算机编程（MATLAB 程序）
22
• 已知条件
• r1=10;r2=-50;d1=5;h1=10;n1=1; • 同理可得：
• n1'=1.5163;n2=n1';
• r2=-10;r2=50;d1=5;h1=10;n1=1;
• 焦距是以相应的主点为原点来确定正负的，如果 由主点到相应焦点的方向与规定光线的正方向相同 为正，反之为负。在图3-1中，f<0 , f '>0. 以后将会 知道 f '>0为正系统，f '<0 为负系统。在图3-1中物 像方平行于光轴的光线高度均为 h，其共轭光线与 光轴的夹角为u和u'，则有：
学系统的物方焦点。显然，根据光路可逆原理，
物方焦点 F 经系统以后必成像于像方无限远的轴 上点。或者说，物方焦点与像方无限远的轴上点 是一对共轭点。
7
过物方焦点 F 的垂轴平面称为物方焦平面。显然，
应用光学(第三章)
2f ' 2x f' h
h
面反射镜的旋转特性。
Applied Optics
授课：任秀云
平面镜的平移效应
A B
A ′A ″=2h
P
Q
h
A” A’
2h
Applied Optics
授课：任秀云
综上所述， 单个平面镜的成像特性可归纳为：
①具有折转光路的作用，是唯一能成完善像的光学元件 ②β=1,物像虚实相反,具有对称性，故不影响光学系统 放大率和成像清晰度。 ③奇数次反射成镜像， 偶数次反射成一致像。
Applied Optics
授课：任秀云
这种系统就是原始的军用观察望远镜的光学系统，其体积、重 量都比较大，不能满足军用观察望远镜的要求，故早已被淘汰 了。目前使用的军用观察望远镜，由于在系统中使用了棱镜， 如图(b)所示，所以它不需要加入倒像透镜组即可获得正像，同 时又可大大地缩小仪器的体积和重量。
Applied Optics
授课：任秀云
此外，在很多仪器中，根据实际使用的要求，往往需要 改变共轴系统光轴的位置和方向。例如在迫击炮瞄准镜 中，为了观察方便，需要使光轴倾斜一定的角度，如图 所示：
Applied Optics
授课：任秀云
平面镜棱镜系统主要作用有： (1)将共轴系统折叠以缩小仪器的体积和减轻仪器 的重量； (2)改变像的方向——起倒像使用； (3)改变共轴系统中光轴的位置和方向——即形成 潜望高或使光轴转一定的角度； (4)利用平面镜或棱镜的旋转，可连续改变系统光 轴的方向，以扩大观察范围。 (5)利用平面镜转动作用扩大仪器的放大率 (6)实现分光、合像和微位移
3、当角锥棱镜绕其顶点旋转 时，出射方向不变仅产生一 个平移。
应用光学第三章
o
x'
直角棱镜使光线折转90°
等腰棱镜使光线折转任意角度。
二者的特点是：入射面、出射面与光轴垂 直。
道威棱镜，入射面、出射面与光轴不垂 直。
道威棱镜90°旋转后，像旋转180°。
道威棱镜: 绕光轴旋转角，其对应的反射像同 方向2旋转角。
一次反射特点：
成镜像；
在主截面内坐标方向改 变，垂直于光轴截面内坐标方 向不变。
五角棱镜
第二节 平行平板
由两个相互平行的折射平面构成的光学元件
称为平行平面板。
用棱镜来代替平面镜，就相当于在光学系统 中多加了一块平行平面板。 如标尺、刻有标志的分划板、补偿板、滤光 镜、保护玻璃等等 下面讨论光线经过平行平面板的折射情况 假定平行平面板位于空气中
应用折射定律
sin I1 n sin I1'
即物空间为右手坐标
先看几个普通棱镜：
这主要看棱镜的反射次数
偶次反射成一致像，由右手 坐标确定其成像方向；
奇次反射成镜像，由左手坐 标确定其成像方向。
y
（ 一
x
）
一
z
次
y′
反
射
z′
x′
棱
（a）等腰直角棱镜
镜
y x
z
(b)等腰棱镜
x′ z′
y′
y
o
x z
y
o
x z
（c）道威棱镜
o
x' z' y'
把棱镜的光轴截面沿着它 的反射面展开，取消棱镜的 反射，以平行玻璃板的折射 代替棱镜折射的方法称为
“棱镜的展开”
(1).为了使棱镜和共轴球面系统组合后， 仍能保持共轴球面系统的特性，必须对棱 镜的结构提出一定的要求：
应用光学课件第三章
应用光学课件第三章
应用光学讲稿
从光学角度看，人眼主要有三部分： 水晶体－－－－镜头 网膜－－－－底片 瞳孔－－－－光阑
人眼相当于一架照 相机，能够自动调节
应用光学课件第三章
应用光学讲稿
视觉的产生 外界的光线进入人眼 成像在视网膜上，产生视神经脉冲 通过视神经传向大脑，经过高级的中枢神经
活动，形成视觉
物理过程，生理过程，心理过程
应用光学课件第三章
应用光学讲稿
人眼的光学特性
视轴：黄斑中心与眼睛光学系统的像方节点连线 人眼视场：观察范围可达150º
头不动，能看清视轴中心6º－8º 要看清旁边物体，眼睛在眼窝内转动，头也动
应用光学课件第三章
应用光学讲稿
二、人眼的调节：视度调节、瞳孔调节
1、视度调节 定义：随着物体距离改变，人眼自动改变焦距，使像 落在视网膜上的过程。
对二线的分辨率称为对 准精度，右图的对准精 度都是10”
应用光学课件第三章
应用光学讲稿
看得清楚的条件 必要条件：成像在视网膜上 充分条件：对二点，视角大于或等于60”
对二线，视角大于或等于10”
应用光学课件第三章
应用光学讲稿
§3-2 放大镜和显微镜的工作原理
被观察物体首先要成像在视网膜上，而且对人眼 的张角大于人眼的视角分辨率时，才能被看清。
望远镜的视放大率
f
' 物
f目'
要增大视角，要求 1 ，即要求 f物' f目'
物镜的焦距比目镜的焦距长几倍，仪器就放大几倍
倍率越高，物镜焦距越长，仪器的长度就越长
Γ可正可负：Γ >0，ω和ω’同号，成正立的像 Γ<0，ω和ω’异号，成倒立的像
应用光学第3章 理想光学系统
3.设一焦距为30mm的负透镜在空气中，在其后 面0.5f,1.5f,2.5f和 3.5f处分别置一高度为 60mm的虚物，请分别用高斯公式和牛顿公式 求其像的位置和轴向放大率。
y f
yx
三角形A’B’F’和三角形H’N’F’相似
，得：
y x
y f
xxff
————此式即为牛顿公式。
二、高斯公式
以物、像方主点为原点来确定物和像的位置。 物距：物方主点到物点的距离，用l表示。 像距：像方主点到像点的距离，用l'表示。
高斯公式：
x=l- f
x′ =l′ - f′
应用光学第3章 理想光学系统
教学目标
掌握理想光学系统的物像关系、基点和基 面。
牢固掌握解析法和图解法求像的方法。 牢固掌握理想光学系统的双光组组合和透
镜的焦距、基点（基面）。 理解多光组组合的焦距计算公式。 了解各种厚透镜的基点、基面位置。 掌握望远系统的成像特性。
引言
研究近轴光学的实际意义
依据： ①平行于光轴的光线经理想光学系统后必过像方焦点
②过物方焦点的光线经理想光学系统后必为平行于光 轴的光线；
由物方无限远射来的任何方向的平行光束，经光学 系统后会聚于像方焦平面上一点。
过F’点作垂直于光轴的平面，称为像方焦平面（或 后焦平面,或第一焦面）。
物方焦平面是像方无限远垂轴平面的共轭像面。
由光学系统物方焦平面上任一点发出的光束，经光 学系统后平行出射。
总结：
像方焦点和物方无限远轴上点是一对共轭点； 物方焦点和像方无限远轴上点是一对共轭点； 像方焦面和物方无限远垂轴平面是一对共轭面； 物方焦面和像方无限远垂轴平面是一对共轭面。
应用光学公式
应用光学公式第一章 几何光学的基本概念和基本定律 1.折射定律：'sin 'sin n I n I=2.全反射：光线由光密介质向光疏介质：'sin Im n n=3.矢量形式：N ：沿法线的单位矢量A ：长为N 的入射光线矢量 A ’：长为n ’的折射光线矢量A ’’：反射光线折射定律：cos P n I='A A PN=+(cos ||||A NI A N ⋅=⋅)反射定律：2()P N A =-⋅''2()A A N N A =-⋅4.费马原理：光程s=nl ，光沿极大、极小、常量光程的路径传播。
第二章 球面和球面系统1.结构参数：n ，n ’，r物方参数：U(物方倾斜角)，L(物方截距)像方参数：U ’(像方倾斜角)，L ’(像方截距)夹角：光轴>光线>法线：顺正逆负2.单个折射球面基本公式sin sin sin 'sin '''sin ''sin 'L r I U r n I I n U U I I I L r r U -⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪=+-⎪⎪=+⎪⎩近轴'''''''l ri u r n i i n u u i i i l r r u -⎧=⎪⎪⎪=⎪⎨⎪=+-⎪⎪=+⎪⎩①'''n n n nl l r --=(光焦度)：主要用于成像位置计算② 1111'()()'n n Q r l r l-=-=阿贝不变量：主要用于验算 ③ '''n nn u nu h r--=，h=lu=l ’u ’，主要用于角度计算3.光焦度'n nrϕ-=：+会聚-发散'''n f r n n=-'nf r n n-=-''''n n f f f f n n ϕ⎫==-⎪⎪⎬⎪=-⎪⎭对于任何光学系统普适'f f r +=对于折射球面适用4. 靠近光轴很小垂轴平面（忽略像面弯曲）以细光线成完善像① 横向放大率：''''''y l r nl nu y l r n l n u β-====- ② 轴向放大率：2''dl n dl nαβ== ③ 角度放大率：'1''u l n u l n γβ=== ④ αγβ=⑤ 拉氏不变量：'''nyu n y u J == 5. 反射球面：n=-n ’计算焦点物像位置：112''2l l rr f f ⎧+=⎪⎪⎨⎪==⎪⎩光焦度和拉氏：2''n rJ yu y u ϕ⎧=-⎪⎨⎪==⎩ 放大率：'l lβ=-2αβ=- 1γβ=-6. 共轴球面系统11''k k n u n u β=，21'k n n αβ=，11'k n n γβ=，k k k J n y u =第三章 平面系统1. 平面镜',1l l β=-=物像虚实不一致双平面镜：2βα=2. 平行平板：1'(1)l d n∆=- d ：厚度3. 反射棱镜：结构常数dK D=，D ：通光直径，d ：光轴展开长度 4. 折射棱镜：minsin()sin22n αδα+= α：顶角m i nδ：最小偏向角 双光契：2(1)cos 2n ϕδα=-α：顶角 ϕ：两主截面夹角5. 色散555nm 人眼最灵敏，可见400-700nm ；波长短折射率大。
应用光学课件完整版
一个物点，总是发出同心光束，与球面波相对应； 一个像点，理想情况应该由球面波对应的同心光束汇交 而成，称这种像点为完善像点。
3. 成完善象的条件 发光体每一物点发出球面波，通过光学系统后仍为
反射定律可表示为 I I ''
4. 光的折射定律
折射定律可归结为：入射光线、折射光线和投射点
的法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角正弦
之比与入射角大小无关，而与两介质性质有关。对一定 波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一
常数，等于折射光线所在介质的折射率与入射光线所在
介质折射率之比。
0 i arcsin n12 n2 2 n0
n0 ＝1
n0 sin i n1 cos ic n12 n22
5. 费马原理（光程极值原理）
1）光程— 光在介质中经过的几何路程l与该介质折射率n的乘积。
s=n • l
均匀介质
m层均匀介质
连续变化的非均匀介质
s=n • l=c • t
m
s
波面可分为：平面波、球面波、任意曲面波。 波面法线方向即为光传播方向。
光源
光线
波面
5. 光束— 与波面对应的法线集合。
同心光束— 波面为球面，聚于一点。 发散光束— 光线在前进方向上无相交趋势。 会聚光束— 光线在前进方向上有相交趋势。
平行光束— 波面为平面。 象散光束— 波面为曲面，不聚于一点。
1. 共轴球面系统的结构参量： 各球面半径：r1 、 r2 …… rk-1 、 rk 相邻球面顶点间隔：d1 、 d2 …… dk-1 各球面间介质折射率：n1 、 n2 …… nk-1 、 nk n 、 k+1
应用光学第三章
Hale Waihona Puke 三 棱镜的成像方向判断• 基本依据：反射定律 • 对具有单一主截面的系统
设物的坐标为oxyz,为右手坐标系，oz光轴方向，ox在主 截面内的方向，oy垂直于主截面的方向 ①o’z’光轴方向按反射定律定出 ②垂直于主截面的o’y’视屋脊面个数而定，没有或偶数个， 则同向，奇数个，方向 ③主截面内o’x’视反射系统的反射次数而定，奇数次反射 成镜像，偶数次反射物象一致。具体定时，先将光轴方 向定出，然后按是镜像还是相似像按左右手定出
β为两个光楔之间的夹角
当δ1＝δ2＝δ0时，
2
2 0
(1
cos
)
20
cos(
/
2)
2(n
1)
cos(
2
)
光楔是光学系统中对光线小角度偏折的元件，通常一对光楔配 对使用，分别旋转两个光楔，可以使出射光线位于一个以入射 光为轴线的角锥体内的任意方向上
33
几种特殊情况
34
作用：
• 折射棱镜定义
反射棱镜—— 利用表 面的反射作用
折射棱镜 —— 利用表 面的折射作用，工作面 为两个折射面
折射棱 —— 入射面与 出射面的交线
折射角 —— 顶角α
偏向角δ —— 入射光 线与出射光线的夹角从 入射光线转到出射光线， 顺正逆负
α
I1
I1´ n -I2
-I2´ δ
27
2
2
(I1'I2 )]
2
c
os[1 2
(I1
I
2
'
)]
对于给定的棱镜， 和n 为定值，所以由上式可知，偏向角
应用光学
第一章 几何光学的基本定律§ 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。
今后如需回到光的本质的讨论将特别指出。
波面 --- 发光点在某一时刻发出的光形成波面 如果周围是各向同性均匀介质，将形成以发光点为中心的球面波或平面波 第二章 球面和球面系统§ 2-1 什么是球面系统？由球面组成的系统称为球面系统。
包括折射球面和反射球面反射面：n ' =-n.平面是半径为无穷大的球面，故讨论球面系统具有普遍意义折射系统折反系统§ 2-2 概念与符号规则•概念① 子午平面 —— 包含光轴的平面② 截距：物方截距 —— 物方光线与光轴的交点到顶点的距离像方截距 —— 像方光线与光轴的交点到顶点的距离③ 倾斜角：物方倾斜角 —— 物方光线与光轴的夹角像方倾斜角 —— 像方光线与光轴的夹角返回本章要点•符号规则返回本章要点因为分界面有左右、球面有凹凸、交点可能在光轴上或下，为使推导的公式具有普遍性，参量具有确切意 义，规定下列规则：a. 光线传播方向：从左向右b. 线段：沿轴线段 ( L,L',r ) 以顶点 O 为基准，左“ - ”右“ + ” 垂轴线段 ( h ) 以光轴为准，上“ + ”下“ - ” 间隔 d(O1O2) 以前一个面为基准，左“ - ”右“ + ” c. 角度：光轴与光线组成角度 ( U,U' ) 以光轴为起始边，以锐角方向转到光线，顺时针“ + ”逆时针“ - ”光线与法线组成角度 ( I,I' ) 以光线为起始边，以锐角方向转到法线，顺“ + ”逆“ - ”光轴与法线组成角度 ( φ ) 以光轴为起始边，以锐角方向转到法线，顺“ + ”逆“ - ”§ 2-3 折射球面返回本章要点•由折射球面的入射光线求出射光线已知： r, n, n',L, U 求： L', U'，由 以上几个公式可得出 L' 是 U 的 函数这一结论， 不同 U 的光线经 折射后不能相交于一点点－》斑，不完善成像•近轴光线经折射球面折射并成像.1 ．近轴光线：与光轴很靠近的光线，即 -U 很小 ， sin(-U) ≈ -U ，此时用小写：sin(-U)= - usinI=iL=l 返回本章要点近轴光线所在的区域叫近轴区2 ．对近轴光，已知入射光线求折射球面的出射光线：即由 l , u —> l ',u' , 以上公式组变为：当 u 改变时， l ' 不变！点 —— 》点，完善成像 此时 A ， A' 互为物像，称共轭点近轴光所成像称为高斯像，仅考虑近轴光的光学叫高斯光学返回本章要点近轴光线经折射球面计算的其他形式（为计算方便，根据不同情况可使用不同公式）利用：可导出返回本章要点4 ．（近轴区）折射球面的光焦度，焦点和焦距可见，当（ n'-n )/r 一定时， l ' 仅与 l 有关。
应用光学教案(第三章)——视光技术应用方向材料科学与工程专业
近视眼及矫正
屈光不正矫正
近点
正常眼近点
远视眼矫正
2
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第三章 球面透镜
透镜概述
透镜的概念 由前后两个折射面组成的透明介质称为透镜
（lens），这两个折射面至少有一个是弯曲面。弯曲面可
以为球面、柱面、环曲面或非球面。
15
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2．凹透镜成像规律
凹透镜所成的像，无 论物体的位置在焦点 以外还是焦点以内， 它经凹透镜折射后， 所成的像，都是缩小 的，正立的虚像。像 和物在透镜的同侧。 因此它的成像规律， 不同于凸透镜那样复 杂。
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11 f2F4.00 0.2m 52c5m
f1F 14 1 .0 0 0.2m 5 2c5m 第二焦点和第一焦点均为实焦点
薄透镜位于空气中时，第二焦点和第一焦点分居透镜的两侧，
且与透镜的距离相等。
f2 f1
例：屈光度为-3.00D凹透镜，其焦距：
n2 n1
f2
f1
f2F 13 1 .0 0 0.3m 3 3 3.3 3 cm
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如图3-1-1
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（二）透镜的种类 透镜为凸透镜和凹透镜两种，中央比边缘厚的透镜称为凸透 镜，也称为正透镜、会聚透镜；中央比边缘薄的透镜称为凹 透镜，也称为负透镜、发散透镜。根据凸、凹透镜的前后两 面的形状，透镜可以分为以下六种类型。 1、双凸透镜(bi-convex lens) 2、平凸透镜(plano-convex lens) 3、凸新月形透镜(meniscus- convex lens) 4、双凹透镜(bi-concave lens) 5、平凹透镜(plano-concave lens) 6、凹新月形透镜(meniscus- concave lens)
应用光学
《应用光学》课程编号：******课程名称：应用光学学分：4 学时:64 (其中实验学时：8)先修课程：大学物理一、目的与任务应用光学是电子科学与技术（光电子方向）、光信息科学与技术和测控技术与仪器等专业的技术基础课。
它主要是要让学生学习几何光学、典型光学仪器原理、光度学等的基础理论和方法。
本课程的主要任务是学习几何光学的基本理论及其应用，学习近轴光学、光度学、平面镜棱镜系统的理论与计算方法，学习典型光学仪器的基本原理，培养学生设计光电仪器的初步设计能力。
二、教学内容及学时分配理论教学部分（56学时）第一章:几何光学基本原理(4学时)1.光波和光线2.几何光学基本定律3.折射率和光速4.光路可逆和全反射5.光学系统类别和成像的概念6.理想像和理想光学系统第二章:共轴球面系统的物像关系(14学时)1.共轴球面系统中的光路计算公式2.符号规则3.球面近轴范围内的成像性质和近轴光路计算公式4.近轴光学的基本公式和它的实际意义5.共轴理想光学系统的基点——主平面和焦点6.单个折射球面的主平面和焦点7.共轴球面系统主平面和焦点位置的计算8.用作图法求光学系统的理想像9.理想光学系统的物像关系式10.光学系统的放大率11.物像空间不变式12.物方焦距和像方焦距的关系13.节平面和节点14.无限物体理想像高的计算公式15.理想光学系统的组合16.理想光学系统中的光路计算公式17.单透镜的主面和焦点位置的计算公式第三章:眼睛的目视光学系统(7学时)1.人眼的光学特性2.放大镜和显微镜的工作原理3.望远镜的工作原理4.眼睛的缺陷和目视光学仪器的视度调节5.空间深度感觉和双眼立体视觉6.双眼观察仪器第四章:平面镜棱镜系统(9学时)1.平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用2.平面镜的成像性质3.平面镜的旋转及其应用4.棱镜和棱镜的展开5.屋脊面和屋脊棱镜6.平行玻璃板的成像性质和棱镜的外形尺寸计算7.确定平面镜棱镜系统成像方向的方法8.共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合第五章:光学系统中成像光束的选择(5学时)1.光阑及其作用2.望远系统中成像光束的选择3.显微镜中的光束限制和远心光路4.场镜的特性及其应用5.空间物体成像的清晰深度——景深第六章:辐射度学和光度学基础(10学时)1.立体角的意义和它在光度学中的应用2.辐射度学中的基本量3.人眼的视见函数4.光度学中的基本量5.光照度公式和发光强度的余弦定律6.全扩散表面的光亮度7.光学系统中光束的光亮度8.像平面的光照度9.照相物镜像平面的光照度和光圈数10.人眼的主观光亮度11.通过望远镜观察时的主观光亮度12.光学系统中光能损失的计算13.投影仪的作用及其类别15.投影系统中的光能计算第七章:光学系统成像质量评价(7学时)1.介质的色散和光学系统的色差2.轴上像点的单色像差——球差3.轴外像点的单色像差4.几何像点的曲线表示5.用波像差评价光学系统的成像质量6.理想光学系统的分辨率7.各类光学系统分辨率的表示方法8.光学传递函数9.用光学传递函数评价系统的像质实验教学部分 (8学时)（1）光线成像实验（2学时）（2）目视光学仪器原理实验（2学时）（3）光具座演示几何像差实验（2学时）（4）计算机演示波像差和光学传递函数实验（2学时）三、考核与成绩评定考核：本课程为中英文双语教学，采用全英文命题，统一阅卷，教研组集体复查,严把质量关。
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应用光学讲稿
二
光阑概念
1、孔径光阑（Aperture Stop）
限制进入光学系统光束口径的光阑。限制光束最厉 害的光阑。 2、视场光阑（Field Stop）
限制成像范围的光阑 底片框 3、消杂光光阑（False Light Stop）
消除杂散光的光阑
应用光学讲稿
三 渐晕
由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使 像平面边缘比中心暗的现象称为“渐晕”。 线渐晕系数
应用光学讲稿
§3-5-4 场镜的特性及其应用
一、场镜的作用
F目
物镜
目镜
应用光学讲稿
F´物 物镜 场镜 目镜
场镜的作用：在不改变光学系统成像特性的前 提下，改变成像光束的位置。
应用光学讲稿 二、应用举例：
O1 物镜
O2
-L
场镜
L´
目镜
应用光学讲稿 三、场镜焦距的计算
O1
O2 -l 场镜 l´
物镜
应用光学讲稿
§3-5 光学系统中成像光束的选择
引入
F
H
H’
F’
应用光学稿
1. 成像光束的大小
D
2. 成像光束的位置
D1 D2
应用光学讲稿
§3-5-1 光阑及其作用
一 照相机的构造
镜头：起成像作用
底片：感光部分
光阑：限制成像光束，可
变光阑
光学系统中，不论是限制成像光束口径大小还是 限制成像范围的孔或框都称为“光阑”。
景深与相对孔径成反比。
视放大率： Г =6 成像范围（视场角）：2ω =8°30’ 出瞳直径： D´=5mm
出瞳距离：
物镜焦距： 目镜焦距：
l´z≥11mm
f´物=108mm f´目=18mm
应用光学讲稿
1、轴上光束传播情况
30
F’物
D D' D ' 5mm
6 D 30mm
应用光学讲稿
30
F’物
对于轴向光束，物镜口径最大，目镜口径较小 为满足光学特性的要求，各光学元件的通光口 径至少应保证轴向光束通过。
U : 物方孔径角
U´: 像方孔径角
由光轴转向光线
若已知D´和视放大率，如何求入射光束口径？
应用光学讲稿 由于
tgu ' u ' D' ' 2 f目
y ' nu y n' u '
nu n' u '
对于显微物镜n´=1 D' 250 1 D' nu u ' D ' D ' 目 ' ' 2 f目 500 f目 500 500 显微镜物方孔径角u和物方折射率n的乘积nu叫做数值孔径，NA
B1 B A1´ A´
误差的原因： 像平面上测量的是弥散圆的中心，即主光线与像平面的交点。 由于孔径光阑位在物镜处，主光线随着物平面的移动而改变， 其与像平面的交点也随之改变。 解决的办法：使主光线不变。
应用光学讲稿
孔径光阑
y1´=y´
远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处。 入射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平面的交 点位置也不变。 物方远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处，入瞳在无限远。
1、提高u; 2、提高n; 使用油浸物镜。
应用光学讲稿
例：选用一个15X目镜，3X物镜，构成一个显微镜，
物镜的NA应该为多大？
目 15 3 45
45 NA 0.09 500 500
一般3X显微镜物镜的NA=0.1。显微镜目镜有5X，6X ，10X，15X，都可以与3X物镜配合。
应用光学讲稿 2、用于大地测量的显微镜：
y
-l
F´物 -f´物
y´
需要测量距离，物镜焦距已知，物体高度（标杆）已知， 测出像高y’，即可求出物距：
f' l y y'
若孔径光阑位在物镜处，如果调焦不准，就会带来误差。
应用光学讲稿 像方远心光路：将孔径光阑放置在物方焦平面处，出瞳在无限远 出射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平面的交 点位置也不变
KD D D
应用光学讲稿
渐晕的原因:
为了减小元件的口径。
在某些望远镜中，渐晕 系数可以达到0.5
孔径光阑：限制轴上点或视场中央部分 （无渐晕）成像光束口径的光阑。 在照相机中：孔径光阑—可变光阑 视场光阑---底片框
应用光学讲稿
§3-5-2 望远系统中成像光束的选择
一、双目望远镜
1、光学系统图
能够在像面上获得清晰像的物空间深度，就是系统的景深。
应用光学讲稿
二、性质
1 1 2Z ' 1 1 ( ) l1 l2 D l f'
1、容许的光斑直径越大，景深越大；
2、照相物镜的相对孔径与焦距和景深的关系：
1 1 2Z ' 1 2Z ' l1 l2 D f' D 2 f ' f'
目镜
如图，假定前组透镜到它的像平面距离为150mm, 后组透镜 离开中间像平面的距离为100mm, 1 1 1 l' l f '
l l1 ' 150mm l ' l2 100mm
f ' 60mm
应用光学讲稿
§3-5-5 空间物体成像的清晰程度：景深
一、景深的定义
应用光学讲稿
2、轴外光束传播情况
a
b a b 物镜
F’物
目镜
a-a b-b
30 60
加大 最大
应用光学讲稿
选择a-a光束，把物镜框取为30即可。
此时，物镜框限制了进入系统的光束口径，即为孔径光阑。 视场光阑在像平面上，分划镜框即为视场光阑。
应用光学讲稿
3、几个概念
出射瞳孔：孔径光阑在系统像空间的像，出瞳
D' NA nu 500
应用光学讲稿 为保证出射光束有一定大小，D´≥1mm
则 NA≥Γ/500 NA的选择：越大越好。
1、NA= D´ Γ/500, D´一定，要求Γ大，需增大NA; Γ一定，要求D´大，亮，也需增大NA.
2、NA与显微镜的分辨率有关，NA越大，分辨率越高。 增大NA的方法：NA=nu
入射瞳孔：孔径光阑在系统物空间的像，入瞳 出射瞳孔距离：出瞳离系统最后一面的距离
入射瞳孔距离：入瞳离系统第一面的距离
应用光学讲稿
出瞳：是光能最集中的地方，为了看清整个视场， 眼睛的瞳孔应该和出瞳重合。 对出瞳距离必须有一定的要求，一般仪器大于6毫米， 对于军用仪器，要大一些，可能大于20毫米。 出瞳直径的大小，直接与像的亮暗有关。
应用光学讲稿 二、测量显微镜中的光束限制情况 1、测量物体大小的显微镜：
2y
2y´
物镜的标尺离透镜的距离固定不变，垂轴放大率β是一个常 数，测出像高y´，即可算出物高 y=y´/β 误差：物平面位置须准确，像平面才能与标尺重合
应用光学讲稿 当物平面位置不准确时：
A1 A B1´ B´
y1´ y´
应用光学讲稿
§3-5-3
显微镜中的光束限制、远心光路
一、一般显微镜中光束限制的情况：
显微镜原理图：
应用光学讲稿
1、成像范围：用成像物体的最大尺寸表示，即线视场。 线视场的大小由像面上放置的框大小决定。它限 制了观察范围，因此它是视场光阑。
应用光学讲稿 2、成像光束的大小:用轴上点发出的光束与光轴的夹角来表示