工程光学郁道银课件
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郁道银工程光学天津天大蔡怀宇54视频赠ppt讲义典型光学系统6 11chap6-4
简介本文档将通过郁道银工程光学天津天大蔡怀宇54视频的赠ppt讲义典型光学系统6 11chap6-4，详细介绍该光学系统的结构、原理和应用。
该光学系统是典型的工程光学系统，在实际的工程应用中有着广泛的应用价值。
光学系统的结构光学系统由多个光学元件组成，其中包括透镜、反射器、光学窗口等。
这些光学元件按照一定的顺序排列，形成一个完整的光学路径。
光线从光源经过光学系统的各个光学元件，最终汇聚到焦点或者形成所需的光斑。
对于典型的光学系统6 11chap6-4，其结构如下所示：光学系统结构图光学系统结构图该系统包括透镜L1、透镜L2、光学窗口W1和光学窗口W2。
光线从左侧的光源射入光学系统，经过透镜L1和L2的折射后，通过光学窗口W1抵达光学系统的输出端，最终到达光学窗口W2。
光学系统的原理光学系统的原理主要通过光学元件对光进行折射、反射和衍射等处理来实现。
透镜是最常见的光学元件之一，其主要作用是通过折射来聚焦光线。
透镜的折射效果是根据菲涅尔公式和斯涅尔定律来计算的。
在光学系统6 11chap6-4中，透镜L1和L2起到了聚焦光线的作用。
透镜的焦距决定了光线经过透镜后的汇聚效果。
通过控制透镜L1和L2的参数，可以达到所需的光学效果。
另外，光学窗口W1和W2在光学系统中起到保护透镜和光学元件的作用。
它们通常由透明材料制成，具有较好的透光性能和物理强度。
光学系统的应用光学系统在工程领域中有着广泛的应用。
光学系统能够将光线聚焦到微小的光斑上，从而实现高分辨率成像。
这一特性使得光学系统在光学测量、成像、通信等领域中得到了广泛的应用。
在光学系统6 11chap6-4中，该系统可能用于实现光学测量或者成像。
通过调整透镜L1和L2的参数，可以实现对光线的精确聚焦，从而得到清晰的成像效果。
同时，在系统设计中，要考虑光学窗口W1和W2的选择，以保证光线的传输质量和系统的稳定性。
此外，光学系统还可以应用于激光器、放大器、扫描仪等光学设备中。
应用光学 郁道银版的课件 工程光学 第四章)
对于无限远的物体，光学系统的所有光 孔被其前面的光学零件在物空间所成的像 中，直径最小的一个光孔像就是系统的入 瞳。
视场光阑、入射窗、出射窗
光学系统的成像范围是有限的。
照相机中底片框限制了被成像范围 的大小
工具显微镜中分划板的直径决定成 像物体的大小
第三节望远镜系统中成像光束的选择
典型的双目望远镜系统是由一个物镜、一 对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的， 如图4-7所示。有关光学数据如下：
或加大，从而达到调节光能量以适应外界
不同的照明条件。显然可变光阑不能放在
镜头L上，否A1则A2
的大小就不可变了。
底片框B1B2 的大小确定的。超出底片框的
范围，光线被遮拦，底片就不能感光。
在光学系统中，不论是限制成像光束口径、 或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为 “光阑”。
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑 称为“孔径光阑” ，例如照像系统中的可 变光阑 A 就是孔径光阑。
渐晕光阑
光阑以减少轴外像差为目的，使物空 间轴外点发出的、原本能通过上述两 种光孔的成像光束只能部分通过，这 种光阑称为渐晕光阑。
入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是 出射光瞳
入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。 如果光阑在整个光学系统的像空间，那
么它本身也就是出射光瞳；
反之，若在物空间，它就是入射光瞳
光学系统中的光束限制
§1 照像系统和光阑 §2 望远镜系统中成像光束的选择 §3 显微镜系统中的光束限制与分析 §4 光学系统的景深 补充: 光学系统的分辨率
实际光学系统与理想光学系统不同， 其参与成像的光束宽度和成像范围都是 有限的。限制来自于光学零件的尺寸大 小和其他金属框。从光学设计的角度看， 如何合理的选择成像光束是必须分析的 问题。光学系统不同，对参与成像的光 束位置和宽度要求也不同。
视场光阑、入射窗、出射窗
光学系统的成像范围是有限的。
照相机中底片框限制了被成像范围 的大小
工具显微镜中分划板的直径决定成 像物体的大小
第三节望远镜系统中成像光束的选择
典型的双目望远镜系统是由一个物镜、一 对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的， 如图4-7所示。有关光学数据如下：
或加大，从而达到调节光能量以适应外界
不同的照明条件。显然可变光阑不能放在
镜头L上，否A1则A2
的大小就不可变了。
底片框B1B2 的大小确定的。超出底片框的
范围，光线被遮拦，底片就不能感光。
在光学系统中，不论是限制成像光束口径、 或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为 “光阑”。
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑 称为“孔径光阑” ，例如照像系统中的可 变光阑 A 就是孔径光阑。
渐晕光阑
光阑以减少轴外像差为目的，使物空 间轴外点发出的、原本能通过上述两 种光孔的成像光束只能部分通过，这 种光阑称为渐晕光阑。
入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是 出射光瞳
入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。 如果光阑在整个光学系统的像空间，那
么它本身也就是出射光瞳；
反之，若在物空间，它就是入射光瞳
光学系统中的光束限制
§1 照像系统和光阑 §2 望远镜系统中成像光束的选择 §3 显微镜系统中的光束限制与分析 §4 光学系统的景深 补充: 光学系统的分辨率
实际光学系统与理想光学系统不同， 其参与成像的光束宽度和成像范围都是 有限的。限制来自于光学零件的尺寸大 小和其他金属框。从光学设计的角度看， 如何合理的选择成像光束是必须分析的 问题。光学系统不同，对参与成像的光 束位置和宽度要求也不同。
工程光学郁道银ppt课件
m：
1
l
' z
1 l
1 f 物
l1z 1101108 lz11mm
h z 物 lz tg ( 4 .2 5 o ) 1 1 tg ( 4 .2 5 o ) 0 .8 2 m m
hz分 8mm
hz目9.51mm
lz 21.3mm
.
正切计算法
tanUk
tanUk
hk fk
.
场镜的应用
.
四、显微镜系统光束选择的总结
1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上； 2、一次实像面处安放视场光阑； 3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上
——物方远心光路 4、长光路显微镜系统：
利用场镜达到前后系统的光瞳衔接， 减小光学零件尺寸。
.
第五节 光学系统的景深
同一位置不同景深的效果
.
tan tan
远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该
物体直接对眼睛张角 的正切之比。
*概念区别：角放大率 tan f1
.
tan f2
3、分划板 —— 视场光阑
入
f 物
f目
瞳
D
tan f物 tan f目
出
瞳
D
D f物 f物
D f目 f目
望远镜系统简化图
D D
★ 对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。 弥散斑的直径与入瞳直径、与景象平面的距离有关。
.
二、光学系统的景深
★ 成像空间的景深：
1 2
在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。
hz分 y f物 tg( 4.25o ) 8mm；
tgU 物
tg( 4.25o )
hz物 f物
1
l
' z
1 l
1 f 物
l1z 1101108 lz11mm
h z 物 lz tg ( 4 .2 5 o ) 1 1 tg ( 4 .2 5 o ) 0 .8 2 m m
hz分 8mm
hz目9.51mm
lz 21.3mm
.
正切计算法
tanUk
tanUk
hk fk
.
场镜的应用
.
四、显微镜系统光束选择的总结
1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上； 2、一次实像面处安放视场光阑； 3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上
——物方远心光路 4、长光路显微镜系统：
利用场镜达到前后系统的光瞳衔接， 减小光学零件尺寸。
.
第五节 光学系统的景深
同一位置不同景深的效果
.
tan tan
远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该
物体直接对眼睛张角 的正切之比。
*概念区别：角放大率 tan f1
.
tan f2
3、分划板 —— 视场光阑
入
f 物
f目
瞳
D
tan f物 tan f目
出
瞳
D
D f物 f物
D f目 f目
望远镜系统简化图
D D
★ 对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。 弥散斑的直径与入瞳直径、与景象平面的距离有关。
.
二、光学系统的景深
★ 成像空间的景深：
1 2
在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。
hz分 y f物 tg( 4.25o ) 8mm；
tgU 物
tg( 4.25o )
hz物 f物
工程光学郁道银第二版
P
u (1/ n)
2
u n
1/
u n
u 1/
n
2
u n
u n
W
u (1/ n)
u n
1/
u n
u 1/
n
u n
u n
光学系统的 7 种初级像差，分别被 7 个塞得和数决定
ZF 2 : nD 1.67268, 32.2, nF 1.68747, nC 1.66662
I 0.02013, II 0.01013 L0 (1909022 871.332 9.943) 0
1
1 1 2
2
2 1 2
A.双胶合物镜 （小视场，校正色差，球差，近轴慧差）--胶合面：有足够大的 正球差抵消1,3面的负球差，伴随大孔径要求，导致大的正高级球 差（大于1,3面的负高级量和），系统因此有正高级球差。
焦距f‘mm
50
100 150
200
300
500
1000
相对孔径D/f’ 1:3
1:3.5 1:4
1:5
1:6
,
3, II
a112 a232 b11 b23 c
三、薄透镜的正弦差：OSC0
1 2J
SII
SII
lunip (i
i)(i i)
SI
ip i
OSC0
1 2
h2
n
工程光学郁道银
hz物
hz分 hz目
精品课件
★ 追迹主光线 的投射高度
7
望远镜系统的光阑位置
实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔径光阑；分
划板为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳
距离lz>6mm
精品课件
8
hz物
hz分 hz目
正切计算法
tanUk
tanUk
hk fk
h kh k 1dk 1tanU k 1
近景平面
远景 平面
入瞳中心： 物空间参数 的起算原点
p2 p p1
精品课件
p 1
p p 2
出瞳中心： 像空间参数 的起算原点
24
★对准平面的弥散斑直径： z 1 z 2
★景像平面的弥散斑直径： z1 z1 z2 z2
★由相似三角形得：
z1 p1 p 2a p1
z2 p p2 2a p2
★景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值
D y p p y
zz1 z2 Dp
★对准平面上对应弥散斑的允许值：z
z1
z2
z
p
★远景、近景到入瞳的距离：
z1
2a
p1 p1
p
z2
2a
p
p2 p2
p1
2ap 2a z1
p2
2ap 2a z2
★远景、近景到对准平面的距离：
1
p1
p pz1 2az1
人眼的极限分辨角：
10.00029rad
12
4ap2 4a2 p22
解：1) D 1 / 3 .5 2 a D f 2 1 .4 3m m
f
3.5
4ap 2 4a 2 p 2 2
工程光学完整课件1上课讲义
工程光学
本课程的基本情 况
专业基础课
总学时：64 其中：理论学时：48 实验学时：16
教材及参考书
教 材： 《工程光学》 郁道银 谈恒英 机械工业出版社 参考书：《应用光学》 胡玉禧 安连生 中国科技大学出版社
《应用光学》 王文生 华中科技大学出版社
考核方式
闭卷考试 总评成绩比例：卷面70% 实验20% 平时10%
天体
遥远的距离
观察者
光线
发光点向四周辐射光能量，在几何光学中将发 光点发出的光抽象为带有能量的线，它代表光的传 播方向。
光束
一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光 向四周传播，形成以发光点为球心的球面波。
某一时刻相位 相同的点构成的面
称为波面。
波面上某一点的法线就是这一点上光的传播
方向，波面上的法线束称为光束。
sin I sin I '
nab
n ab :介质 b 对介质 a 的相对折射率，
如果介质 a 为真空，则介质 b 对真空的折
射率也称为绝对折射率，用 n b 表示
也可表述为：
nb
c vb
C：在真空中光速， v b ：在介质 b 中光速
两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示
n ab
va vb
重点：几何光学基本定律
一、光的直线传播定律
在各向同性的均匀透明介质中，光线沿 直线传播。
二、光的独立传播定律
不同的光源发出的光线在空间某点相遇 时，彼此互不影响。在光线的相会点上，光 的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后 ，各个光束按原方向传播。
三、折射和反射定律
光的折射和反射定律研究光传播到两 种均匀介质的分界面时的定律。
本课程的基本情 况
专业基础课
总学时：64 其中：理论学时：48 实验学时：16
教材及参考书
教 材： 《工程光学》 郁道银 谈恒英 机械工业出版社 参考书：《应用光学》 胡玉禧 安连生 中国科技大学出版社
《应用光学》 王文生 华中科技大学出版社
考核方式
闭卷考试 总评成绩比例：卷面70% 实验20% 平时10%
天体
遥远的距离
观察者
光线
发光点向四周辐射光能量，在几何光学中将发 光点发出的光抽象为带有能量的线，它代表光的传 播方向。
光束
一个位于均匀介质中的发光点，它所发出的光 向四周传播，形成以发光点为球心的球面波。
某一时刻相位 相同的点构成的面
称为波面。
波面上某一点的法线就是这一点上光的传播
方向，波面上的法线束称为光束。
sin I sin I '
nab
n ab :介质 b 对介质 a 的相对折射率，
如果介质 a 为真空，则介质 b 对真空的折
射率也称为绝对折射率，用 n b 表示
也可表述为：
nb
c vb
C：在真空中光速， v b ：在介质 b 中光速
两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的速度表示
n ab
va vb
重点：几何光学基本定律
一、光的直线传播定律
在各向同性的均匀透明介质中，光线沿 直线传播。
二、光的独立传播定律
不同的光源发出的光线在空间某点相遇 时，彼此互不影响。在光线的相会点上，光 的强度是各光束的简单叠加，离开交会点后 ，各个光束按原方向传播。
三、折射和反射定律
光的折射和反射定律研究光传播到两 种均匀介质的分界面时的定律。
工程光学第三章郁道银版作者窦柳明长沙理工大学
角与入射角无关，只取决于双面镜的夹角α 。
公式:β＝2α
第一节 平面镜成像
2、应用： 转折光路
出射光线和入射光线的夹角与入射角无关，只取决于双面 镜的夹角α 。如果双面镜的夹角不变，当入射光线方向一定时， 双面镜绕其棱边旋转时，出射光线的方向始终不变。
其用于折转光路优点在于，只需加工时调整好双面镜的夹 角，而对双面镜的安置精度要求不高，不像单个反射镜折转光路 时那样调整困难。
应用：测量微小角度或位移
第一节 平面镜成像
应用：测量微小角度或位移
自标尺零位点（设与物方 焦点F重合）发出的光束
经物镜L后平行于光轴
第一节 平面镜成像
应用：测量微小角度或位移
经准直物镜 折射后重新 会聚于F点
平面镜M垂直于光轴时， 平行光经平面镜M反射
后原光路返回
第一节 平面镜成像
应用：测量微小角度或位移
O
B
-I’ PB
B’
I
Q
2、成像性质： A
l’＝-l，β=1
-l
P
l’
A’
这说明正立的像与物等距离的分布在镜面的两侧，大小相等，
虚实相反。因此物理解释：
（1）奇数次反射成镜像，偶数次反射成与物一致的像（一致像）。 （2）当物体旋转时，其像反方向旋转相同的度数。
作用：折转光路、转像、扫描等。
一、名词解释
棱镜的光轴：光学系统的光轴在棱镜中 的部分为棱镜光轴。棱镜光轴为折线。
棱：工作面间的交线。 主截面：垂直于棱线的平面。
在光路中，所取主截面包含了光学系统的光轴在内，所以又称 光轴截面。
l2 ' l1 d l'
在进行光学系统外形尺寸 计算时，将平行玻璃平板用等 效空气平板取代后，光线无折 射地通过等效空气平板，只需 考虑平行玻璃平板的出射面或 入射面的位置，而不必考虑其 存在。
公式:β＝2α
第一节 平面镜成像
2、应用： 转折光路
出射光线和入射光线的夹角与入射角无关，只取决于双面 镜的夹角α 。如果双面镜的夹角不变，当入射光线方向一定时， 双面镜绕其棱边旋转时，出射光线的方向始终不变。
其用于折转光路优点在于，只需加工时调整好双面镜的夹 角，而对双面镜的安置精度要求不高，不像单个反射镜折转光路 时那样调整困难。
应用：测量微小角度或位移
第一节 平面镜成像
应用：测量微小角度或位移
自标尺零位点（设与物方 焦点F重合）发出的光束
经物镜L后平行于光轴
第一节 平面镜成像
应用：测量微小角度或位移
经准直物镜 折射后重新 会聚于F点
平面镜M垂直于光轴时， 平行光经平面镜M反射
后原光路返回
第一节 平面镜成像
应用：测量微小角度或位移
O
B
-I’ PB
B’
I
Q
2、成像性质： A
l’＝-l，β=1
-l
P
l’
A’
这说明正立的像与物等距离的分布在镜面的两侧，大小相等，
虚实相反。因此物理解释：
（1）奇数次反射成镜像，偶数次反射成与物一致的像（一致像）。 （2）当物体旋转时，其像反方向旋转相同的度数。
作用：折转光路、转像、扫描等。
一、名词解释
棱镜的光轴：光学系统的光轴在棱镜中 的部分为棱镜光轴。棱镜光轴为折线。
棱：工作面间的交线。 主截面：垂直于棱线的平面。
在光路中，所取主截面包含了光学系统的光轴在内，所以又称 光轴截面。
l2 ' l1 d l'
在进行光学系统外形尺寸 计算时，将平行玻璃平板用等 效空气平板取代后，光线无折 射地通过等效空气平板，只需 考虑平行玻璃平板的出射面或 入射面的位置，而不必考虑其 存在。
第11章工程光学 郁道银 第二版ppt课件
则波动微分方程可写为简洁的形式：
2
1 0 2 2 v t
2
该偏微分方程的通解是各种形式以速度 v传播的波的叠加。因此 任何物质运动，只要它的运动规律符合上式，就可以肯定它是以 v为传播速度的波动过程！
1 2E 2 v 1 2B 2 v
2E 0 2 t 2B 0 2 t
2 p0 sin E expikr t 2 4v r 2 p0 sin B expikr t 3 4v r
一个振荡电偶极子的E场
（2）辐射能: 1 1 2 1 2 w E D H B E B 电磁场的能量密度为 2 2
二、平面电磁波
1 E 2 v 1 2 B 2 v
2
2E 0 2 t 2B 0 2 t
该方程的解可以有多种形式，如平面波、球面波和柱面波解， 也可以是各种频率的简谐波及其叠加，解的具体形式有赖于电 磁场的边界条件和初始条件。下面以该方程最基本的解---平面 简谐波解讨论。
（1）波动方程的平面波解： 平面电磁波指电场或磁场在与传播方向正交的平面上各点具有相同 值的波。如图所示，假设波沿直角坐标系xyz的z方向传播，则平面 波的E和B仅与z、t有关，而与x、y无关，则电磁场的波动方程变为
（三）平面电磁波的性质 1、电磁波是横波 取 E A exp[ik r t ] 散度：
E A expik r - t ik Aexpik r t ik E
E 0 k E 0
同理得到 B 0 k B 0
2 E 1 2 E 2 0 2 2 z v t
2B 1 2B 2 2 0 2 z v t
工程光学郁道银
添加副标题
工程光学郁道银PPT大纲
汇报人：
目录
CONTENTS
01 添加目录标题
02 工程光学概述
03 工程光学基础知识
04 工程光学应用领域
05 工程光学实验与实 践
06 工程光学前沿技术 与发展趋势
添加章节标题
工程光学概述
定义与背景
添加项标题
工程光学是一门研究光与物质相互作用以及光信息传输、处理和存 储的学科。
光学系统与成像
光学系统的基本组成 成像原理及分类 光学仪器的成像特性 光学系统的应用领域
光的度量与计算
光的波长、频率和能量之间的关系 光通量、发光强度和光照度的定义及计算方法 光的反射、折射和吸收的基本规律 光学系统中的光束限制和光能计算
工程光学应用领域
物理光学应用
干涉和衍射：在物理实验、计量和测量中广泛应用 光学仪器：显微镜、望远镜、照相机等光学仪器中应用 光学信息处理：全息摄影、光学图像处理等领域应用 光学通信：光纤通信、空间光通信等领域应用
互补性：物理光 学和几何光学相 互补充共同构成 了光学学科体系。
工程光学在各领域的应用实例
医学领域：光学仪器用于诊断和治疗如激光手术刀、光学显微镜等。 军事领域：光学仪器用于瞄准和侦察如望远镜、瞄准镜等。 通信领域：光纤通信利用光的传输性质实现高速、大容量的通信是现代通信的重要支柱之一。 能源领域：太阳能光伏利用光生伏打效应将光能转化为电能是可再生能源的重要应用之一。
工程光学发展趋势分析
微纳光学技术：利用微纳加工技术在芯片上实现光学器件具有小型化、集成化的优势 是未来光学技术的重要发展方向。
光子晶体技术：利用光子晶体具有控制光子传播的特性可应用于光子集成电路、光 子计算机等领域是未来光通信和光计算的重要技术。
工程光学郁道银PPT大纲
汇报人：
目录
CONTENTS
01 添加目录标题
02 工程光学概述
03 工程光学基础知识
04 工程光学应用领域
05 工程光学实验与实 践
06 工程光学前沿技术 与发展趋势
添加章节标题
工程光学概述
定义与背景
添加项标题
工程光学是一门研究光与物质相互作用以及光信息传输、处理和存 储的学科。
光学系统与成像
光学系统的基本组成 成像原理及分类 光学仪器的成像特性 光学系统的应用领域
光的度量与计算
光的波长、频率和能量之间的关系 光通量、发光强度和光照度的定义及计算方法 光的反射、折射和吸收的基本规律 光学系统中的光束限制和光能计算
工程光学应用领域
物理光学应用
干涉和衍射：在物理实验、计量和测量中广泛应用 光学仪器：显微镜、望远镜、照相机等光学仪器中应用 光学信息处理：全息摄影、光学图像处理等领域应用 光学通信：光纤通信、空间光通信等领域应用
互补性：物理光 学和几何光学相 互补充共同构成 了光学学科体系。
工程光学在各领域的应用实例
医学领域：光学仪器用于诊断和治疗如激光手术刀、光学显微镜等。 军事领域：光学仪器用于瞄准和侦察如望远镜、瞄准镜等。 通信领域：光纤通信利用光的传输性质实现高速、大容量的通信是现代通信的重要支柱之一。 能源领域：太阳能光伏利用光生伏打效应将光能转化为电能是可再生能源的重要应用之一。
工程光学发展趋势分析
微纳光学技术：利用微纳加工技术在芯片上实现光学器件具有小型化、集成化的优势 是未来光学技术的重要发展方向。
光子晶体技术：利用光子晶体具有控制光子传播的特性可应用于光子集成电路、光 子计算机等领域是未来光通信和光计算的重要技术。
工程光学 第二章 郁道银版 PPT作者窦柳明(长沙理工大学)
第二节 理想光学系统的基点和基面
（3）为求物镜的物方焦距f、物方焦点的位置F、物方主点的位 置H，可沿反向光路追迹一条平行于光轴的光线。 利用近轴光线的光路计算公式 平行光线初始坐标为： 逐面计算，其结果为：
l u1 0 h1 10m m i1 h1 / r1
' lF mm, u' 0.121869 ' l ' 70.0183 h h f ' 82.055m m tgU ' u 'l ' l f ' 12.0366 mm
第一节
理想光学系统与共线成像理论
作图法证明： ①已知两对共轭面的位置和放大率
已知：M为理想光学系统 像面O’1与物面O1共轭，其对应放大率为β1 像面O’2 与物面O2共轭，其对应放大率为β2 求： 物空间任意物点O的像点位置O’ B A M O’ B’ A’
第一节
理想光学系统与共线成像理论
作图法证明： ②已知一对共轭面的位置和放大率，以及轴上两对共 轭点的位置
定义：像方焦点、焦平面；像方主点、主平面；像方焦距
A B Q’ F’ H’ E’
像方主平面
像方主点H’：平行于光轴的入射光线AB的延长线，与其出射光 线E’F’反向延长线交于Q’，过Q’作垂直光轴的平面与光轴的交点 H’。 像方主平面：过像方主点H’且垂直于光轴的平面Q’ H’ 。
第二节 理想光学系统的基点和基面
第二章
理想光学系统
第二章
1 第一节 第二节 第三节
理想光学系统
理想光学系统与共线成像理论 理想光学系统的基点与基面 理想光学系统的物像关系
2
3
4
4 5
第四节
郁道银工程光学第一章
一个球面有无数光轴
一个透镜有一个光轴
共轴球面系统
物(像)空间 —— 物(像)所在的空间，可从 - ∞到 + ∞
实物(像)空间—— 实物(像)可能存在的空间
虚物(像)空间 —— 虚物(像)可能存在的空间
实物(像)点—— 实际光线的交点(屏上可接收到)
虚物(像)点 —— 光线的延长线的交点(屏上接收不到 , 人眼可感受到)
光 学 系 统 光 学 系 统
(a) 实物成实像
(b) 实物成虚像
光 学 系 统 (c) 虚物成实像
光 学 系 统 (d) 虚物成虚像
发散 发散 会聚
发散
实 物
实 像
实 物
虚 像
会聚
会聚
物像
光束
发散 实 虚
会聚 虚 实
虚 物
实 像
物 像
物像
光束
发散 实
会聚 虚
物
像
虚
实
A
实物成实像
A2
A1
A3
实物成实像
光密介质
光疏介质，即 n n'
sin I ' 不可能大于1，临界情况 I ' 90 ，发生全反射
光从介质射入真空时
真空 介质 真空 介质 真空 介质
大于
全反射临界角
当光恰好发生全反射现象时的入射角叫介质的临界角。
光密介质
光疏介质，即 n n'
临界情况： 折射角I ' 90
微粒说
17世纪
波动说
牛顿 19世纪
惠更斯
泊松
托马斯·杨
菲涅尔
泊松斑 关于光在水中的速度
微粒说：大于光在真空中的速度
工程光学郁道银版本,单章整理好的
第三章1．人照镜子时，要想看到自己的全身，问镜子要多长？人离镜子的距离有没有关系？解：镜子的高度为1/2人身高，和前后距离无关。
2、有一双面镜系统，光线平行于其中一个平面镜入射，经两次反射后，出射光线与另一平面镜平行，问两平面镜的夹角为多少？解：OAM M //323211M M N M ⊥∴1''1I I -= 又2''2I I -=∴α同理：1''1I I -=α321M M M ∆中︒=-+-+180)()(1''12''2I I I I α ︒=∴60α答：α角等于60︒。
3、如图3-4所示，设平行光管物镜L 的焦距'f =1000mm ，顶杆离光轴的距离 a =10mm 。
如果推动顶杆使平面镜倾斜，物镜焦点F 的自准直象相对于F 产生了y =2mm 的位移，问平面镜的倾角为多少？顶杆的移动量为多少？解：θ'2f y = rad 001.0100022=⨯=θ Oθx=mm a x 01.0001.010=⨯=⨯=∴θ图3-44、一光学系统由一透镜和平面镜组成，如图3-29所示。
平面镜MM 与透镜光轴垂直交于D 点，透镜前方离平面镜600mm 有一物体AB ，经透镜和平面镜后，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。
图3-29 习题4图解： 由于平面镜性质可得''B A 及其位置在平面镜前150mm 处''''B A 为虚像,''B A 为实像则211-=β21'1-==L L β450150600'=-=-L L解得 300-=L 150'=L又 '1L -L 1='1f mmf150'=∴答：透镜焦距为100mm 。
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D D 3 0 m m
二、望远镜系统中的光束限制
1、光瞳衔接原则：
——前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。
1）物镜的左侧10mm；
2、孔径光阑的位置： 2）物镜上；
3）物镜右侧10 mm 。
hz物
hz分 hz目
★ 追迹主光线 的投射高度
望远镜系统的光阑位置
实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔径光阑；分 划板为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳 距离lz>6mm
1、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则； 2、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于6mm； 3、孔径光阑大致在物镜左右； 4、分划板就是视场光阑。
第四节 显微镜系统中的光束限制和分析 一、简单显微镜系统中的光束限制
1、显微镜系统的构成
二、远心光路
(a) 测距原理：
1、孔径光阑在物镜上
1) 入瞳与物镜边框重合；
远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该
物体直接对眼睛张角 的正切之比。
*概念区别：角放大率 tan f1 tan f2
3、分划板 —— 视场光阑
入
f 物
f目
瞳
D
tan f物 tan f目
出
瞳
D
D f物 f物
D f目 f目
望远镜系统简化图
D D
分划板位于物、目两镜的共同焦面上： 入射窗、出射窗均在无穷远处， 分别与物、像面重合。
hz目 hz物 dtgU 物 0 [ f物 ( f目)]tg( 4.25o ) 9.36mm；
tgU目
tgU目
hz目 f目
tgU 物
hz目 ； f目
lz hz目 tgU目 21mm；
3）光阑在物镜右侧10mm：
1
l
' z
1 l
1 f 物
l1z 1101108lz11mm
h z 物 lz tg ( 4 .2 5 o ) 1 1 tg ( 4 .2 5 o ) 0 .8 2 m m
★ 对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。 弥散斑的直径与入瞳直径、与景象平面的距离有关。
二、光学系统的景深
★ 成像空间的景深：
1 2
在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。
近景平面
远景 平面
2) 由于调焦不精确，引 起像平面和标尺平面 不重合，从而导致测 量误差。
(b) 调焦不准：
2、孔径光阑在物镜 的像方焦平面上
(a) 测距原理：
1) 入瞳位于物方无穷远。
2) A和A1、B和B1的主 光线分别重合，且 轴外点的主光线平 行于主轴。
(b) 调焦不准：
3) 主光线是物点成像
光束的中心轴，则
工程光学
第4章 -2 光学系统中的光阑
与光束限制
本章内容提要
第一节 光阑 第二节 照相系统的光阑 第三节 望远镜系统中成像光束的选择 第四节 显微镜系统中的光束限制与分析 第五节 光学系统的景深 第六节 数码照相机镜头的景深（自学）
第三节 望远镜系统中成像光束的选择
一、双目望远镜的组成
1、构成
物镜、目镜的 共同焦面上
物点A1 B1在刻尺平
面构成的两个弥散
斑的中心间隔始终
不变。
—— 物方远心光路
三、场镜的应用
1、长光路显微镜系统
-1×透镜转像系统：加长光路。
缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径 必须非常大。
2、降低主光线，减小后续光路口径的办法
★ 实际设计： 在-1×转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。 ★ 效果：主光线经场镜后通过-1×转像透镜中心，
从而对后面系统的口径要求最小。 场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。
-1×转像系统
★ 场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。
场镜的应用
四、显微镜系统光束选择的总结
1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；
2、一次实像面处安放视场光阑；
3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上 ——物方远心光路
4、长光路显微镜系统： 利用场镜达到前后系统的光瞳衔接， 减小光学零件尺寸。
通
Z
2）光阑在物镜上：
正切计算法
tanUk
tanUk
hk fk
h kh k 1dk 1tanU k 1
hz物 lz tg( 4.25o ) 0 tg( 4.25o ) 0
hz分 y f物 tg( 4.25o ) 8mm；
tgU 物
tg( 4.25o )
hz物 f物
tg( 4.25o )
第五节 光学系统的景深
同一位置不同景深的效果
一、光学系统的空间像
1、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。
对准平面
共轭
景像平面
★ 平面上的空间像的获得：
以入瞳中心为投影中心，以各空间点的主光线为投 影方向，向对准平面投影，对应投影点在景象平面上的 共轭点即为空间点的平面像。
或：在像空间以出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的 主光线为投影方向，各空间像点向景象平面投影，可得 空间点的平面像。
tgU 物
tg( 4.25o )
hz物 f物
tg( 4.25o )
0.75 108
hz目 hz物 dtgU 物 hz物 [ f物 ( f目)]tgU 物 9.25mm；
yftan
D （ 2 h+h） tgU目
tgU目
hz目 f目
tgU 物
hz目 ； f目
lz hz目 tgU目 20.5mm.
转像
2、光学参数
★物镜焦距： f物' 108mm
★出瞳直径： D' 5mm
★视觉放大率： 6
★目镜焦距：f目 18mm ★出瞳距离：lz 11mm
★视场角： 28o30
f 物
f目
与人眼联用, 满足光瞳衔接原则
D
D
望远镜系统简化图
复习：第二章
★目视光学系统的视角放大率：
tan tan
hz物
hz分 hz目
正切计算法
tanUk
tanUk
hk fk
h kh k 1dk 1tanU k 1
1）光阑在物镜的左侧10mm（ω=4.25°）：
hz物 lztg( 4.25o ) 10mm tg( 4.25o ) 0.75mm；
hz分 y f物 tg( 4.25o ) 8mm；
hz分 8mm hz目9.51mm
lz 21.3mm
பைடு நூலகம்
正切计算法
tanUk
tanUk
hk fk
h kh k 1dk 1tanU k 1
通光口径计算（表4-1）
D通（ 2 h+hZ）
h为轴上点边缘光线投射高度（平行光线）
4、光阑位置对轴外光束位置的选择
(1) (2)(3) (1) (2) (3)
三、望远镜系统光束限制的总结