光学系统简介
第八章 常见光学系统
光学仪器
❖ 成像系统 ❖ 照明系统
视角放大率：通过一定光学系统看物体时， 其像对眼睛的张角的正切与直接看物体对眼 睛张角的正切之比。
照明系统
❖ 临界照明 ❖ 柯拉照明
照明系统
❖ 临界照明：
– 把灯丝通过聚光镜成像在观察物体上
照明系统
❖ 柯拉照明：
– 灯丝像通过聚光镜成像在投射镜上 – 光阑通过投射镜成像在定焦面上
x1
得
dx'2 f 2 f '2
dx1
f1 f '2
1 f1
f2 '
在空气中：
f2'
f1 '
f '22
f '12
f1 '
f2 '
望远镜的视角放大率
M tan' f '1
tan
f '2
❖ 如果物镜的焦距大于目镜的焦距，通过望 远镜观察远处的物体时，在眼睛视网膜上 所成的像将得到放大。
0 250 2 0.00029 0.145
0
0.5
NA
0.5 M 0.145
NA
当取 = 0.00055mm 527NA M e
500NA M e Me 为有效放大率
望远镜Telescope
❖ 用于观察远距离物体的目视光学仪器， ❖ 把物方对眼睛很小的张角按一定倍率放
大，在像空间与眼睛形成较大的张角， 使眼睛能够分辨。
放大镜的放大率——视角放大率
❖ 通过放大镜观察物体时，物体所成 的像对眼睛张角的正切与直接观察 物体事物体对眼睛所张角的正切的 比。
放大镜
放大镜光路图
B’ y’
光学系统
光学系统
光学术语
01 理想
03 放大率
目录
02 物像关系 04 光阑
05 渐晕现象
07 像差
目录
06 成像光束 08 对称共轴作图
光学系统（optical system）是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统。 通常用来成像或做光学信息处理。曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射（或反射）球面组成的光学系统 称为共轴球面系统，曲率中心所在的那条直线称为光轴。
由于轴上点的成像光束被孔径光阑所限制，易于想到，将系统的所有光孔分别通过其前面的光学零件成像于 物空间时，其中对轴上物点张角为最小的那个像，或当物在无穷远时孔径为最小的那个像所对应的光孔，一定是 孔径光阑。孔径光阑在物空间的像称为入射光瞳，其对物点的张角称为物方的光束孔径角。同样，孔径光阑被其 后面的光学零件成在像空间的像，称为出射光瞳，它一定也是对轴上像点张角为最小的一个光孔像，这个张角是 像方的光束孔径角。入射光瞳、孔径光阑与出射光瞳三者是共轭的。如果忽略光阑像差，入射光瞳是物面上各点 成像光束的公共入口；出射光瞳是成像光束的公共出口。通过孔径光阑中心的光线叫主光线，因共轭关系，它也 通过入射光瞳中心和出射光瞳中心。因此，一般说主光线是成像光束的中心线。
投影机光学系统简介
投影機光學系統簡介第一章：前言如圖中所示，為一液晶投影器顯示系統之簡圖。
在此中，我們將其分為三個部分，1.照明系統、2.投影顯示系統、3.量測在照明系統部份中，我們要討論的是呈像與非呈像光學，另外，也會探討極化光學的部分。
在第二個部份中，要讓學員了解到液晶的工作原理和鏡頭呈像的工作原理。
另外在鏡頭呈像出去到屏幕的上方，我們要了解到一些繞射光學的概念。
第三，在量測部分，學員必須具備光度學與色度學的基本概念，才可以分析出呈像品質的好壞。
2-1 依顯示元件分類接下來在第一部份中，我們就依照顯示元件，將其分為LCD,LCOS 和DLP。
如圖中顯示是LCD 的實物圖，以及其之對應投影機的光機架構示意圖。
LCD為Liquid Crystal Display的簡稱，為穿透式之面板，這種微型面板技術開發最早，迄今已經有相當成熟的產品，主要有SHARP，EPSON，SONY三大廠牌，其中SHARP的3.6吋與6.4吋LCD面板，以及SONY的1.6吋LCD面板主要是搭配單片光機設計，而三片式光機引擎則採用1.8吋、1.3吋、0.9吋、0.7吋、0.5吋等LCD為其面板。
而此類型之光機面板則主樣有SONY、或EPSON兩家廠商所供應。
如圖中所示是LCOS之實物圖，以及他所對應之投影機光機架構示意圖，LCOS為Liquid Crystal on Silicon之簡稱，不同於穿透式之面板，其為反射式之面板。
在看好未來背投影是電視以及液晶投影之市場發展潛力下，國內廠商繼大使吋TFT之後，已經注意到液晶投影器關鍵零組件、反射式單精細，也就是LCOS面板的開發。
而由於LCD與DLP僅有少數幾家日本以及美國公司能夠供應，是屬於寡占的市場，因此這種使用半導體為機版的LCOS，史的台灣在發展上有著較大之優勢，也因此吸引較多的廠商來投注開發。
如圖中所示為DMD之實物圖，以及其以及他所對應之投影機光機架構示意圖。
DMD為Digital Micro-mirror Device 之簡稱，是由美國德州儀器TI，其利用微積電，mans之製程方式所研發的微型顯示器，DMD面板加上TI提供的驅動電路板，統稱為DLP，也就是所謂的Digital Light Process 技術。
工程光学—光学系统设计
o 光学设计的发展经历了人工设计和自动化设计 两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改 结构参数进行光学设计，到使用计算机和光学 自动优化设计程序进行设计的巨大飞跃。
二、光学设计基础
• 光学设计的发展概述 • 光学设计的过程与步骤 • 仪器对光学设计的要求 • 光学系统的像差概述
光学设计的发展概况
• 光学设计的概念
o 传统光学仪器日趋成为光学、机械、电子和计算机 一体化的现代智能化仪器，如数码相机、投影仪等。
o 对于一个光学系统而言，无论是成像系统还是照明 系统，光学设计是实现各种光学系统的重要基础。
常见的光学系统的基本特性参数有很多，如相对 孔径、数值孔径、F数、线视场、角视场、工作波段、 放大率、焦距、出瞳位置、入瞳直径、光阑位置、后 工作距离、共轭距、折射率、色散系数、透镜厚度、 透镜间距、透镜面型等。
对光学系统外形尺寸的要求
光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组 成、各组元的焦距、各组元的相对位置和横向尺寸。
一、光学系统简介
对光学系统的要求 成像质量，成像清晰； 物像相似，变形要小。
一、光学系统简介
• 绝大多数的透镜系统都有一条对称轴线，这样的 轴线称为“光轴”。无对称轴的光学系统称为 “非共轴系统”。
• 球面系统： 在各种不同形式的曲面中，球面和平面生 产较易，所以大多数光学系统中的光学零件 均由球面构成，这种光学系统称为球面系统。
为了简化各种类型光组的外形尺寸计算，可以把光学系统 看成是由一系列薄透镜组成的光学系统，经过简化后的光 学系统可以用理想光学系统的理论和公式进行计算。
理想光学系统
第三节 理想光学系统的物像关系
几何光学的基本内容之一是求像，即对于确定的 光学系统，给定物体的位置、大小、方向，求像的位 置、大小、正倒及虚实。常用的用以求取物象位置关 系的方法有二种：一为图解法，一为解析法。 一、图解法求像
图解法求像的定义
已知一个光学系统的主点(主面)和焦点的位置， 利用光线通过这些基点后表现的性质，对物空间给 定的点、线和面，通过画图追踪典型光线的方法求 像。
工程光学
石家庄铁道大学
机械工程学院
总第三讲
第二章 理想光学系统
Perfect Optical System
光学系统的具体结构（r、d、n） 实际光学系统与高斯（近轴）光学系统 研究光学系统成像的目的在于将高斯光学 完善成像的理论推广到任意大的空间，本 章的主要内容即介绍建立在高斯光学之上 的所谓理想光学系统，并研究理想光学系 统的主要光学参数、成像关系、放大率以 及光组组合和透镜。
可选择的典型光线和可利用的性质： ①平行于光轴入射的光线，经系统后过像方焦点； ②过物方焦点的光线，经过系统后平行于光轴； ③倾斜于光轴入射的平行光束经过系统后会交于像 方焦平面上的一点； ④自物方焦平面上一点发出的光束经系统后成倾斜 于光轴的平行光束； ⑤共轭光线在主面上的投射高度相等。 欲在理想光学系统条件下确定像点位置，只需 求出其对应物点发出的两条特定光线在像空间的共 轭光线，其交点即为所求像点。
总第三讲
３、主点与主平面
Q
Q'
h
f
'
h tanU '
F
U
H
H'
U
'
h'
F'
f
h tan U
光学系统
第一节 理想光学系统与共线成像理论
理想光学系统理论在1841年由高斯提出，1893年阿 贝发展了理想光学系统理论。 理想光学系统理论——高斯光学 对于实际使用的共轴光学系统，由于系统的对称 性，共轴理想光学系统所成的像还有以下性质： （1）位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位 于光轴上；位于过光轴的某一个截面内的物点对应 的共轭像点必位于该平面的共轭像面内；过光轴的 任意截面成像性质都是一样的。因此可以用过光轴 的截面代表一个共轴系统。
共轴理想光学系统所成像的性质
（2）垂直与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，也就是说在整个物平面上无论 哪一部分，物和像的大小比例等于常数。像和物的 大小之比称为“放大率”，对于共轴理想光学系统 来说，垂直于光轴的同一平面上的各个部分具有相 同的放大率。 （3）一个光学系统，如果已知两对共轭面的位置和 放大率；一对共轭面的位置和放大率以及轴上的两 对共轭点的位置，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。
第一节 理想光学系统与共线成像理论
理想光学系统——像与物是完全相似的
这种“共线成像”理论的初始几何定义可归纳为：
第一节 理想光学系统与共线成像理论
理想光学系统——像与物是完全相似的 物空间 像空间 点 共轭点 直线 共轭直线 直线上的点 共轭直线上的共轭点 任一平面 一共轭平面
同样：物空间中每一同心光束在像空间中均有一共轭 同心光束与之对应。 简单的说：物空间的任一点、线、面都有与之相共轭 的点、线、面存在，且是唯一的。
第二节 理想光学系统的基点与基面
这些已知的共轭面和共轭点为共轴光学系统的 “基面”和“基点”。 基点就是一些特殊的点，基面就是一些特殊的面。 正是这些特殊的点与面的存在，从而使理想光学系 统的特性有了充分体现，只有掌握了这些基点基面 的特性，才能够分析计算理想光学系统。 基点：物方焦点，像方焦点；物方主点，像方主 点；物方节点，像方节点。 基面：物方主面，像方主面；物方焦面，像方焦 面。
光学系统
n' p2
p2 3
（令 n' n ）即成倒立、缩小的实像。
[解] （3）光线自右向左经凸球面折射成像：
s3 10 cm，r3 r1 20cm ，n 1.5 ，n' 1.0，代入物
像公式得
1 1.5 11.5 s3' 10 20
, 解得s3' 8 cm，
p p' f '
（2） 平面折射
r , 0
n n 0 p' p
例1：水深度为60cm处有一个
青蛙，在水面上方看到的青蛙上 升了多少cm?
解：p' n' p
n
像距
上升的高度为
H=(1-n’/n)*(水深 度)
p`=-40cm 物距 p=-60cm
p' n' p n
空气n’=1
傍轴小物：点到光轴的距离远小于球面曲率半径
三、傍轴球面折射的物象关系式
nn'n(u(' uin))unn('(n'('niu')')) n
p
u
i
n'
o h i' c u'
p'
h
r
u p'
p
p'
h
u p
h
n p'
n p
n r
n
物像关系式
r
n'n
解 ：(2) p=0.6m ，r=-0.3m，代入公式
1 1 2 0.6 p' 0.3
解得 p' 0.2 m，像在镜前离顶点0.2m处，为实像。
光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件
2. 望远系统
（1）伽俐略望远镜（ Galileo telescope ）
结构 发散透镜作目镜，会聚 透镜作物镜，物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束，经物镜会聚后，原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物，最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种： 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
（3）最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84％时，所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中，三种典型波长的 焦深为例，说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见，当 ' ＝0.5μm，2 L ＝ 8μm，说明像面有确定的位置，随着波长增加， 0 L'0 2 按正比增加，当 ＝10μm，2 ＝ 160μm L'0 ，这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x，只要其像面移动不超过 L0，那 么仍可得到清晰的像。所以，对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为
第2章 理想光学系统与实际光学系统
点H；像方主平面与光轴的交点称为像方主点H
主点和主平面彼此之间是共轭的。
物方焦距和像方焦距
A F O1 E1 Q’ Gk H’ F1 Ok
'
h f tan u
h f tan u
一对主点和一对焦点构成基点，一对主面和一对 焦平面构成基面。
§2.2 理想光学系统的物像关系
一、图解法求像 已知主点和焦点，求成像的例子 过B点作两条入射光线，一条平行于光轴，另 一条过物方焦点。如图所示
四、渐晕光阑、入射窗和出射窗 问题的来由：系统中没有实像面，也没有中 间实像面，此时不存在视场光阑。 轴外点光束被镜框部分拦掉，称为渐晕。 此时的镜框即为渐晕光阑。
渐 晕 光 阑
渐晕光阑通过它前面的光学系统在整个光学
系统的物空间的所成像称为入（射）窗。 通过后面的光学系统的像空间所成的像称为 出（射）窗。 入窗和出窗对整个系统共轭。 渐晕的形成过程（下图所示）
不管r1，r2，d为何值，恒 有fˊ<0，透镜是发散的。 两主平面也总位于透镜内部 如右图所示 双凹镜
平凸透镜
由于r1>0，r2 =∞，所以：
r1 ff 0 n 1 d , lH 0 lH n
平凹透镜
平凸透镜
平 凹 透 镜
由于有： r1<0，r2 =∞，所以：
6、合成光组的垂轴放大率：
二、多光组组合
1、正切计算法 求出hk和ukˊ
1 hk hk 1 d k 1 tan uk tan uk tan uk hk f k
hk lF tan uk
h1 f tan uk
2、截距计算法
l1l2 h1 f l2l3 tan uk lk lk
工程光学 典型光学系统
2、非正常眼睛及其矫正
1）近视眼：无穷远物点成像于视网膜之前，远点为有限远。加负透镜 (ຫໍສະໝຸດ 距与远点重合) 将远点校正到无穷远
50岁之后， 老花眼！
Myopia/ Nearsightedness
H
H
2）远视眼：无穷远物点成像于视网膜之后； 近点变远，非明视距离。
Hyperopia/ Farsightedness
★ 自外层至内层的折射率 n 逐渐增大（1.37→1.41）——校正像差 ★ 调节肌作用改变水晶体曲率(焦距)，不同距离物均成像于视网膜。
8、后室：水晶体后、由视网膜包围的空间，玻璃液n =1.336。
9、视网膜(Retina)：后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经 调节肌 细胞和神经纤维构成。 ——感光和成像的位置。 (1) 辐射接收器 杆状细胞：对光刺激极敏感， 感光（明暗视觉） 锥状细胞：感色（色视觉） (2) 黄斑(Macula)：视网膜中部、黄色椭圆形区域。 中心凹：黄斑点中心D ≈0.25mm区域，密集感光细胞， 视觉最灵敏。 (3) 盲斑（点）：视神经的出口，无感光细胞。视网膜的像被 传输至大脑形成视觉。
★眼睛的散光度： AST
R1 R2
1 R 视度 lr
圆柱面透镜 可校正散光
（4）白内障：水晶体变为浑浊而不透明。
手术治疗
(5)斜视:水晶体位置不正或折射面曲率异常 矫正应配戴光楔
四、眼睛的适应能力
★ 适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。
明适应：从暗处到亮处—— 瞳孔自动缩小 暗适应：从亮处到暗处—— 瞳孔自动增大
老年
+200→+40cm
约-200cm
★ 远点发散度（会聚度）： R 1 lr ★ 近点发散度（会聚度）： P 1 lp
光学系统
做可见光光源 做紫外光源，
司 M1—光源镜，
将光源发出的光聚在入射狭缝
S1—入射狭缝， 限制入射光
产
S2—出射狭缝，
限制单色器的出射光普带宽
品
M2、M3—球面镜， 将光束进行准直、会聚 M4-M7—反射镜， 折转光路、会聚能量
F—滤色片，
滤去高级光谱
G—光栅，
将复色光分为单色光
SM—扇形镜，
将一束单色光分参比、样品两路
M8-M10—反射镜， 将光束进行会聚、折转
PMT—光电倍增管， 接收光信号
1、19系列产品光学系统
国内高档紫外可见分光光度计
公
特点：
司
单色器为修正C-T系统，参照日本仪器布局设计的，其主光
线与系统光轴有一个夹角。
产
双光束光路
——提供参比光路，可扣除背景，提高测量精度
品
用一个光电倍增管作为两个通道的光电接收器
产
M3 —平面光栅
将复色光分解为单色光
品
M5， M6 —反射镜 光路折转、会聚 M7 —部分反射镜 分光
P1 —样品接收器
接收光信号
P2 —参比接收器
接收光信号
S1 —入射狭缝
限制入射光束
S2 —出射狭缝
限制出射光谱带宽
2、1810系列产品光学系统
国内中档紫外可见分光光度计
公
特点：
司
准双光束光路
高档仪器 19系列产品 普及型仪器 1880系列产品
适用于试样 多组份测量
无此类产品
三、公司现有产品光学系统
公
司
1、19系列产品光学系统
产
2、1880系列产品光学系统
品
光学系统
单个折射球面(或反射球面)单薄透镜对细小平面以细光束成完善像实际光学系统对具有一定大小的物(视场)以宽光束(孔径)一个光学系统必须由若干元件组成,经反复精密计算,使其成像接近完善。
开始时,首先将系统瞧成就是理想的§4-1理想光学系统及其原始定义[返回本章要点]理想光学系统——像与物就是完全相似的物空间像空间点——>共轭点直线——>共轭直线直线上的点——>共轭直线上的共轭点理想光学系统理论——高斯光学§4-2理想光学系统的基点与基面一、焦点F,F’与焦平面[返回本章要点]物方无穷远A F’: 后焦点,像方焦点轴上物点 F A’( 处)F:前焦点,物方焦点A→ F’:物方无穷远垂轴平面的共轭平面为通过 F’的垂轴平面(后焦平面,像方焦面)F’→A:像方无穷远垂轴平面的共轭平面为物方过 F 的垂轴平面(前焦平面,物方焦面)注意:这里F与F’不为共轭点,A与A’也不为共轭点二、主点H,H’与主平面[返回本章要点]延长TE1,FS1交于QH,H’亦为一对共轭点延长SkR,EkF’交于Q’点H,H'——物(像)方主点,前(后)主点,QH,Q'H'——物(像)方主面,前(后)主面,且HQ与H'Q'共轭,β = 1,物、像方主面就是一对β=1的物像共轭面光学系统总包含一对主点(主平面),一对焦点(焦平面),前者就是一对共轭点(面),后者不就是像方焦距,后焦距物方焦距,前焦距只要一对主点、一对焦点的相对位置一定,一个光学系统的理想模型就定了。
单个折射球面、球面镜与薄透镜都相当于两个主面重合在一起的情况。
单个折射球面球面镜薄透镜H,H’,F,F’四点称为光学系统的基点三、节点与节平面——γ= 1的一对共轭点[返回本章要点]由全等得同理当光学系统的f'=-f时系统的节点与主点重合§4-3物像位置与三种放大率、两种焦距与光焦度一、理想光学系统的物像位置关系与横向放大率β[返回本章要点]1、以 F,F’为原点牛顿公式2、以 H,H’为原点由代入牛顿公式得高斯公式此时由高斯公式后面会瞧到单个折射球面公式具有普遍性当n'= n 时,化为与单个透镜物像公式相同,这时β与l,l'有关。
第七章 典型光学系统
适应是指眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程 度；是通过瞳孔的自动增大或缩小完成的。
明适应：由暗处到亮处 暗适应：由亮处到暗处
三、眼睛的调节及校正
眼睛的调节：眼睛成像系统对任意距离的物体自动 调焦的过程。 视度：眼睛的调节程度。若视网膜在物空间的共轭面离开
眼睛的距离为l（以米为单位），则l 的倒数称为视度，用 SD表示 1 SD l 正常人眼，在没有调节的自然状态下，无限远物体的像正 好成在视网膜上，即远点在无限远，此时视度为
L L2 / b
（7-10）
将b 62m m, min 10" 0.00005 代入上式, 得 L 8 104 L2
（7-11）
若通过双目光学系统来增大基线b或减少 Δθmin，则可以增大体视半径和减少立体 视觉误差。
第二节 放大镜
一、 视觉放大率
目视光学仪器的基本工作原理：使物体通过这 些仪器后，其像对人眼的张角大于直接观察 物体时对人眼的张角。
A b L
（7-8）
立体视差：不同距离的物体 对应不同的视差角， 其差 异 称为立体视差。 体视锐度：人眼能感觉到 的极限值 min 称为体视锐 度
人眼能分辨远近的最大距离
Lmax b
min
62mm 20265/ 10" 1200
（7-9）
Lmax称作立体视觉半径 立体视觉阈：双眼能分辨两点间的最 短深度距离。
第七章
典型光学系统
第一节 眼睛及其光学系统
第二节 放大镜 第三节 显微镜系统 第四节 望远镜系统 第五节 目镜 第六节 摄影系统 第七节 投影系统
第一节 眼睛及其光学系统
一、眼睛的结构——成像光学系统
光学系统的解释和概念
光学系统的解释和概念光学系统是指由光源、光学元件和检测器等组成的系统，用于控制、操控和测量光的性质和行为。
光学系统的核心概念是光的传播、折射、反射、干涉、衍射和散射等现象，以及光场的性质和光学元件的设计与制造。
光学系统是研究光的传播和转换行为的重要工具，广泛应用于光学显微镜、望远镜、光纤通信、激光、光电子器件等各个领域。
在物理学、工程学、生物学、医学以及材料科学等领域中，光学系统被广泛应用于研究、开发和应用。
光学系统的主要组成部分包括光源、光学元件和检测器。
光源是光学系统的能量源，常见的光源包括天然光源（如太阳、火焰等）和人工光源（如白炽灯、荧光灯、激光器等）。
光源的稳定性和强度决定了光学系统的稳定性和检测灵敏度。
光学元件是对光进行控制和操控的器件，包括光学透镜、凸透镜、凹透镜、棱镜、反射镜等。
光学元件能够通过透射、反射、干涉、衍射等方式改变光的方向、形状和能量分布。
光学元件的种类和性质决定了光学系统的功能和性能。
检测器是光学系统中用于接收和测量光的器件，常见的检测器有光电二极管、光电倍增管、光电二极管阵列等。
检测器能够将光信号转换为电信号，并通过信号处理技术得到有关光的信息。
光学系统的行为和性质可以使用光学理论来描述和解释。
光学理论是研究光的传播、传输、转换和相互作用规律的理论体系，包括几何光学、物理光学和量子光学等。
几何光学主要研究近似光线传播的规律和光学元件的设计和使用；物理光学主要研究光的波动性质和干涉、衍射等现象；量子光学主要研究光的微粒性质和激光等应用。
光学系统的设计和优化是将光学理论应用于实际问题的关键步骤。
在设计光学系统时，需要考虑光源的特性、光学元件的种类和性质、光学系统的结构和布局等因素，以实现所需的光学功能和性能。
通过光学设计软件和光学测试设备，可以对光学系统进行模拟、优化和验证。
光学系统在现代科学技术中发挥着重要作用。
在生物医学领域，光学系统被用于显微镜、光谱分析等应用，用于观察和研究生物体的结构和功能；在通信领域，光学系统被用于光纤通信，实现大容量、高速度的信息传输；在材料科学领域，光学系统被用于材料分析和制备，用于研究材料的光学性质和应用；在激光技术领域，光学系统被用于激光器和激光加工设备，实现激光束的控制和操控。
典型光学系统
通过自动化控制技术，实现光学系统的自动对焦、自动曝光、自动白平衡等功 能，提高系统的易用性和用户体验。
新材料、新工艺探索
新材料
探索新型光学材料，如超材料、二维材料等，为光学系统的设计提供更多可能性 和灵活性。
新工艺
发展新型加工工艺，如3D打印、微纳加工等，降低光学系统的制造成本和周期 ，推动光学系统的普及和应用。
光学系统作用
光学系统的主要作用是对光波进 行变换和处理，以满足各种光学 仪器和设备对光波传输和变换的 要求。
典型光学系统分类
01
02
03
透镜系统
由一系列透镜组成的光学 系统，如照相机的镜头、 显微镜的物镜和目镜等。
反射系统
由反射镜组成的光学系统， 如望远镜、潜望镜等。
折反射系统
由透镜和反射镜共同组成 的光学系统，如折反射望 远镜等。
航天航空领域
用于制造高性能的航天相机、星载光学系统等， 满足航天器在复杂环境下的成像需求。
军事领域
应用于制造高精度、高稳定性的军用光学系统， 如侦察望远镜、瞄准镜等。
3
民用领域
用于制造高端民用光学产品，如高清晰度相机镜 头、高端显微镜等，提升民用产品的性能和品质。
06 现代光学系统发展趋势与 挑战
镜对光线有发散作用。
反射镜与折射镜特性
反射镜特性
反射镜利用光的反射定律来改变光路。平面反射镜可形成虚 像，球面反射镜可形成实像或虚像，具体取决于球面形状和 物体位置。
折射镜特性
折射镜利用光的折射定律来改变光路。棱镜是一种常见的折 射镜，可将入射光线按一定角度折射出去。不同形状的棱镜 具有不同的折射特性，可用于实现光的色散、偏振等功能。
光学系统性能指标
第七章典型光学系统
通用显微镜物镜从物平面到像平面的距离（共轭距），不论放大 率如何都是相等的，约为180mm；对生物显微镜，我国规定为 195mm。 把物镜和目镜取下后，所剩的镜筒长度称为机械筒长，也是固定 的，有160mm、170mm、190mm 。我国以 160mm作为物 镜目镜定位面的标准距离。
二、显微镜的线视场
22500.00029mm 42500.00029mm
把σ‘换算到物空间，按道威判断取σ值，则：
2 250 0.00029mm 0.5 4 250 0.00029mm
NA
设λ=555nm，得：
523NA 1046NA 近似 得到500NA 1000NA
一般最大的NA为1.5,则有效放大率 最大不超过1500倍。
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 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7 。
孔径光阑
D’
-u
-u’物镜F目目镜4四、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：
a 0.61
显微镜的分辨率以能分n辨 s的in物u方两点间最短距离σ来表
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
光学系统
眼睛系统视网膜上成倒像，由于视神经系统内部作用，我们感觉还是正像。
主平面H 和H’距离角膜顶点后约1.3mm 和1.6mm 眼睛的焦距约为 f =-17mm ，f’ =23mm ，屈光度为+43D 视场可达150°，清晰视场只有视轴周围的6 ° ~8 °明视距离是正常眼在正常照明（约50勒克斯）下最方便和最习惯的工作距离，等于250 mm 。
（1）视度调节当肌肉完全放松时，眼睛所能看清的最远的点称为远点，其相应的距离称为远点距离，以 lr 表示，单位 m 当肌肉在最紧张时，眼睛所能看清的最近的点称为近点，其相应的距离称为近点距离，以 lp 表示，单位 m用lr 的倒数和lp 的倒数之差来表示人眼的视度调节能力lr （单位为m ）的倒数表示近视或远视的程度，称为视度，单位为屈光度（D ，Dioptre ），通常医院把 1D 称作 100度. 近视/远视眼镜的作用都是将无限远的物点与视网膜形成共轭.近视/远视只和远点距离有关，和近点距离无关。
（2）眼睛的分辨率人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角或视角鉴别率。
在没有调节的放松状态下，眼睛的极限分辨角为1’,人眼的分辨能力与极限分辨角成反比关系。
（3）人眼的对准精度对准精度一般用角度值来表示,即两线宽的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值α时，虽然还存在着不重合，但眼睛认为已经是完全重合，这时α角度值即为人眼对准精度。
对准精度和极限分辨角是两个概念，又有一定联系，经验证明，人眼的最高对准精度约为极限分辨角的1/6~1/10（4）眼睛的景深当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节就能同时看清对准平面前和后某一距离的物体，称作眼睛的景深。
11r pA R P l l =-=-21221212,P PP P P P pD pD D p D p p p p D p p p p p p D p εεεεεε==+-=-=-=∆=+-∆（5）空间深度感觉眼睛在观察物体时，能够产生远近的感觉，被称为“空间深度感觉”。
近代光学系统设计概论
近代光学系统设计概论光学系统设计是光学工程中的重要领域，涵盖了光学元件的选择、光学系统的布局和参数优化等方面。
近代光学系统设计概论介绍了光学系统设计的基本原理和方法，旨在帮助读者了解光学系统设计的基本概念和技术，为实际应用提供指导。
一、光学系统设计的基本原理光学系统设计是利用光学原理和光学元件来实现特定功能的系统。
光学系统的设计过程包括确定系统的需求和约束条件、选择合适的光学元件、确定光学元件的参数以及优化整个系统的性能等步骤。
在设计过程中，需要考虑光学元件的色散、畸变、吸收、散射等因素，以及系统的像差、分辨率、透过率、干涉等性能指标。
二、光学系统设计的方法1. 光学系统布局设计：根据系统需求和约束条件，确定光学元件的相对位置和光路。
光学系统的布局设计需要考虑光学元件的尺寸、形状、材料等因素，以及系统的紧凑性、稳定性和可调性等要求。
2. 光学元件选择：根据系统的功能需求和性能指标，选择合适的光学元件。
常见的光学元件包括透镜、棱镜、光栅、滤波器等。
选择光学元件时需要考虑其色散特性、透过率、反射率、损耗等因素，以及成本和制造难度等因素。
3. 光学元件参数确定：确定光学元件的尺寸、曲率、折射率等参数。
光学元件的参数对系统的性能有重要影响，需要通过计算和模拟来确定最佳参数。
常用的方法包括光学设计软件、光学模拟软件等。
4. 系统性能优化：通过调整光学元件的参数和布局来优化系统的性能。
系统性能的优化可以通过改善像差、提高分辨率、增加透过率等方式来实现。
优化过程中需要考虑多个指标之间的权衡和平衡。
三、光学系统设计的应用领域光学系统设计广泛应用于各个领域，包括光学仪器、光通信、光储存、光刻、光学测量等。
例如，在光学仪器中，光学系统的设计是实现高清晰度、大视场、低畸变等性能的关键；在光通信中，光学系统的设计是实现高速传输、低衰减等要求的关键；在光刻中，光学系统的设计是实现高分辨率、高精度的关键。
四、光学系统设计的挑战和发展趋势随着科技的不断进步，光学系统设计也面临着新的挑战和机遇。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
一次涂敷层—丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶
涂
敷
缓冲层—性能较好的填充油膏
层 二次涂敷层—聚丙烯或尼龙等高聚物
• （二）光纤的种类
• 按折射率分布及光传输方式分：突变（阶跃）型 和渐变（梯度）型光纤。
• 突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变 的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通 讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小， 所以单模光纤都采用突变型。
• 视网膜：后室的内壁是一层由视神经细胞和神经纤维构 成 的膜，称为网膜或视网膜，它是眼睛的感光部分。
• 脉胳膜：也称黑衣。它的作用是吸收透过网膜的光线， 把后室变成一个暗室。
• 黄斑：位于视网膜上，四周略呈黄色，它的中心有一个 中心凹，此凹处是网膜上视觉最灵敏的区域，黄斑中心 与水晶体象方节点的连线，叫作眼睛的视轴。
• 标准镜头的视场角和人眼相当，可以拍出人眼看起来很自然的照 片，而不会在照片上附加任何感觉。
• 广角镜头具有更大的视场角，善于营造方向线，拍出的照片具有 空间延伸感。由于近大远小的透视效果，用于拍摄人物要注意人 物的变形。
• 鱼眼镜头是广角镜头的极端，它不满足理想的物像关系，而是具 有很大的负畸变，可以把180度甚至更大的视场摄入画面。
• 焦距为300至500mm甚至更长的远摄镜头是新闻报道、野生动物 摄影的重要创作工具。
• 一些镜头被称为快速镜头，它在同样焦距下具有更大的相对孔径， 因而可以以更短的曝光时间捕捉画面。
第六节 现代光学系统
• 一、光纤学系统 • 光纤：光导纤维，能将进入光纤一端的光线
传送到另一端。 • （一）结构
• 1、激光束的发散角
• 激光束的发散角、束腰位置是由激光谐振腔 和激光束的模式决定的。热透镜效应可能会改变 激光谐振腔的腔形，因此发散角和束腰的位置也 要随着改变
• 2、激光束的聚焦与准直
• （1）聚焦：采用短焦距透镜
• （2）准直：激光准直系统多采用二次透镜 变换形式，第一次透镜变换用来压缩高斯 光束的束腰半径，用短焦距透镜；第二次 使用较大焦距的变换透镜，用来减小高斯 光束的发散角。
• 光纤的结构
➢光纤由纤芯、包层、涂敷层组成。
➢纤芯位于光纤的中心部位。作用是传导光波。主要成
分是高纯度的二氧化硅。其余成分为极少量掺杂剂， 如五氧化二磷和二氧化锗。掺杂剂的作用是提高纤芯 的折射率。
➢包层也是含有少量掺杂剂的高纯度的二氧化硅。作用
是将光波限制在纤芯中传播。掺杂剂有氟或硼。这些 掺杂剂的作用是降低包层的折射率。
三、望远目镜
• 分类： • 惠更斯目镜 • 冉斯登目镜 • 对称目镜 • 艾弗尔目镜
四、反射式与折反式望远系统
• 常见反射式光学系统 • 牛顿 • 卡塞格尔 • 格里高利 • 常见折反式光学系统 • 结合了反射式和透射式的优点。 • 施密特光学系统 • 马克苏托夫光学系统
第五节 摄影系统
• 摄影系统：指把外界物体缩小成像于感光 胶片或光电器件光敏面上的光学系统。
n2 n02 1 a2r 2
光纤中 心的n
常数
光纤截面 的半径
• 梯度型光纤中的传播是一个非均匀介质中光线的传播， 其传播的简化方程为：
• 梯度型光纤折射率分布满足：y x B sinax
说明光线在介质中传播轨迹是正弦曲线。
• 梯度型光纤，又称自聚焦光纤，光线以某 一角度射 入光纤介质，逐渐折射到内侧，
• 远摄镜头具有把距离拉近的效果，并且由于景深小，可以突出画 面上的被摄主体，而使背景变得简洁。
• 焦距在70mm至100mm左右的镜头在远摄镜头家族中焦距算是短 的，特别适合拍摄人像特写，又叫人像镜头。
• 焦距在100mm至135mm的中等焦距远摄镜头在微距下特别善于 表现物体的细节与质感。
• 焦距在200mm左右的中长焦距远摄镜头常用于拍摄远处的新闻 画面，如报道体育比赛等。
Q
D
P
P
D
Q
视场光阑 F. S.的作用： 限制物面上能成像的范围 限制视场的大小
孔径光阑 A. S.的作用：
限制成像光束立体角 （口径）
控制到达像面的光能
L
Q
F.S
D
Q1
PF
F
P
Q1
Q
D
• 判断孔径光阑的方法：
• 1、求出所有光阑被它前面光组在系统物空间所 成像的位置及大小；
• 2、求出这些光阑像对轴上物点的孔径角（当物 在无限远时，确定所允许的孔径高度）；
• 包括：传统光学照相机、电视摄像机、 CCD摄像机和数码照相机等。
摄影光学系统的主要参数
焦距 相对孔径 视场角
决定像的大小：
远处
近处
大视场小：特写镜头，远 摄镜头
小视场大：全景镜头，广 角镜头
与像面照度有
关
焦距长时球差大，相对孔径 要小些
大：强光镜头 中等：普通镜头 小：弱光镜头
能摄入接收面的视场角，由 接收面大小决定
人眼
望远镜系统 照相系统
显微镜系统 投影系统
第一节 人的眼睛
• 一、人眼的结构
• （一）人眼的结构
• 巩膜：维持眼睛的一定形状，并可保护眼睛内部。
– 角膜：位于巩膜的前部，是一个凸形透明球面，厚度约为 0.55mm，折射率为1.3771，外界的光线首先通过角膜进入 眼睛。
– 前室：角膜后面的一部分空间称为前室，前室中充满了折 射率为1.3374的透明
• 明视觉：光亮度在几个cd/m2以上时正常人眼的 视觉。
• 暗视觉：光亮度在百分之几cd/m2以下时正常人 眼的视觉。
二、人眼的调节 （一）视度调节 可以看成是一个变焦距系统。人眼的焦 距可以根据物体的远近，通过改变眼中 水晶体的曲率半径，而自行调节，其调 节能力随年龄的增加而减弱。
近点和远 点的视度
– 液体，称为水状液， – 前室的深度 – 约为3.05mm。
• 水晶体：由多层薄膜构成的一个双凸透镜，中间较硬， 外层较软，借助于水晶体的周围肌肉的作用，可以使其 前表面的半径发生变化，以改变眼睛的焦距，使不同距 离的物体能成象在网膜上。
• 虹膜：是限制进入眼睛的光束口径，称为瞳孔。
• 后室：水晶体和视网膜之间的空隙称为后室，里面充满 了透明液体，叫作玻璃液。
是接收面的对角线长
• 摄影系统的分辨率：
• 根据光学系统的分辨率
，
像面上的最小辨距为
。
• 摄影系统的分辨率常用每毫米能区分的线 条数表示，即
• 对人眼最灵敏的555nm波长，
，
当然视场边缘的会有所降低。
• •
Cooke摄影物镜 • •
Tessar摄影物镜
双高斯摄影物镜
远距型摄影物镜 反远距摄影物镜 鱼眼物镜
（二）
三、
30～ 60分
10～20分 5分
10分
第二节 光学系统中光束的限制
一、光阑
系统中的一些固定或可变的带孔屏障或光学元 件的边缘——光阑
孔径光阑 光阑
视场光阑
D
M
PN
D
D
N
P M D
光阑（或其像）对入射光束的限制 光阑的像（或光阑）对共轭出射光束的• 渐变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐 变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模 间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本 较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。
• （三）光纤的传光原理
• 1、阶跃型光纤的传光原理
• 阶跃型光纤利用全反射原理传输光，满足全反射条件的 光线在光纤内不断地被反射，从光纤的一端传播到另一 端，其传播途径为折线。
• 高斯光束
• 垂直于光波传播方向的电矢量的振幅呈高斯函数 分布的光束。
• （一）激光束的结构
• 激光束不同于普通的光束，其光束截面半径ω所 确定的光束截面边界的连线并不是直线，而是曲 线，光束截面半径ω随传播距离Z的变化是非线 性的，截面最小的位置称为激光束的束腰，对应 的半径是束腰半径ω0
• （二）激光束的传播特性
二、 显微镜系统的成像原理
三、显微系统的主要技术参数
如采用光电摄影器件(CCD)时的有效放大率： 4NA • d
CCD的像素 间距
第四节 望远系统
（二）分辨率和工作放大率
• 分辨率
1.22
D
D
瑞利判据 道威判据
人眼极限分辨角为60秒，因此，两物点满足：
60
与景深对应
五
用于显微镜瞄准、读数 和精密测量，消除景深
引起的测量误差
用于大地测量中的测距， 消除焦深引起的测量误
差
第三节 放大镜
（二）目视光学仪器的作用
• 1、扩大视角 • 人眼的分辨率有一定限制，如观察物的视
角小于人眼的极限分辨率，就要借助于目 视光学仪器来扩大物体的视角。 • 2、将物体成像在无穷远 • 人眼在正常情况下，无限远目标成像在视 网膜上，为使人眼在观察时不至于疲劳， 常将目标通过光学仪器后，成像在无限远。
• 盲斑：神经纤维的出口，无感光细胞，不能产生视返觉回。
• （二） 人眼的视觉
• 人眼视网膜中有两种感光细胞：
• 一种是杆体细胞，灵敏度高，能感受弱光刺激， 但不能分辨颜色和视场中的细节；
• 另一种是锥体细胞，灵敏度低，只能感受较亮的 物体，但能很好的区分颜色，辨别细节。
• 正常颜色视觉的人，视网膜中央向外围部分过渡， 锥体细胞减少，杆体细胞增多，对颜色的分辨能 力逐渐减弱，直到颜色的感觉消失。
• 3、比较得出其中最小孔径角（物在无限远时为 孔径高度最小）所对应光阑像的物就是系统的孔 径光阑。
• 例：2.1P38