工程光学7-1
工程光学第7章
入瞳
入瞳
8
第三节
轴上点球差
高斯像面
L’
A0’ －δT’
一、球差的现象、定义和成因
A －L
－δL’ l’
h hm
定义：轴向球差： L '
边光： h h 带光：h
z
L'l '
垂轴球差：T ' L' tgU '
球差产生的原因：折射球面
0.707 hm
m
带光球差： L' z
边光球差： L'm
各类像差特点汇总表：
与孔径有 关的像差 与视场有 关的像差 与材料有 关的像差 在沿轴方向 度量的像差 在垂轴方向 度量的像差
球差 彗差 位置色差 球差 彗差 彗差 畸变 倍率色差 位置色差 畸变 位置色差 倍率色差 像散、场曲 倍率色差 像散、场曲
21
课堂练习六（第七章）
一、名词解释：
主光线，第一、二近轴光线，球差，畸变，位置色差 二、正误判断 １、( × )正负双胶合透镜的目的一定是为校正球差。 ２、( × )正弦差是区别于彗差的另一种特殊像差。 ３、( × )正弦条件即等晕条件，它是近轴物点与轴上物点具有 同等成像缺陷的充分必要条件。 ４、( × )产生畸变和倍率色差的根本原因是相同的。 ５、( √ )由于色差的存在，即使在近轴条件下，复色光成像也 是不完善的。 ６、( √ )照相机镜头中普遍包含的对称型结构，对彗差、畸变 和倍率色差有良好的校正作用。
有像质要求的大视场、大孔径系统：(1)、(2)、(3)、(4)
7
二、光路计算的一般方法和步骤
(1).针对具体像差，选取适当的初始光线，即确定L1、U1； (2).用大L公式及过渡公式逐面计算，求出Lk’、Uk’； (3).与理想像比较，根据各类像差的定义式求得像差数据；
第七章 工程光学
第七章 光学仪器的主要性能指标和质量检验方法本章讨论照相物镜、显微镜和望远镜的主要光学性能及其检验方法，并介绍几种常用光学测量设备。
§7.1照相物镜照相物镜的主要光学参数有焦距、相对孔径、视场角、渐晕(像面照度均匀性)、分辨率、光学传递函数、透过率、杂光系数，可根据实际使用情况选择其中若干检验项目。
1．焦距前面已经学过，位于光轴上无穷远处的物通过照相物镜成像，像所在的位置为像方焦点；像点位于光轴上无穷远时所对应物点的位置为物方焦点。
照相物镜的物方主平面与物方焦点之间的距离为物方焦距，像方主平面与像方焦点之间的距离为像方焦距。
测量照相物镜焦距的方法主要有放大率法和精密测角法。
在大批量生产中有时还会用顶焦距测量代替焦距测量。
a.放大率法用放大率法测量照相物镜焦距的原理如图7-1所示，玻罗(Porro)板位于平行光管物镜的物方焦平面上，平行光管物镜将玻罗板上的两条平行刻线成像到无穷远处。
图7-1 放大率法测量照相物镜焦距的原理图若玻罗板上双刻线(刻线与图面垂直)之间的距离为2y ，双刻线与光轴上下对称，平行光管物镜的物方焦距为f’c 则刻线的主光线与光轴的夹角为cf y 'tan 1−=ω 设被测镜头的焦距为f ’，刻线经过被测镜头成像后的像到光轴距离为cf y f f y ''tan ''⋅==ω 当读数显微镜的横向放大倍率是β时，被测镜头的焦距为β⋅⋅=y y f f c ''' (7-1) 这种方法不仅能测整组镜头的焦距，原则上也可以测量包括单片、胶合片等任意光学系统的焦距，但是，应注意测量精度受像差的影响。
这种方法也可以测量具有负光焦度光学系统的焦距，测量原理如图7-2所示，要求读数显微镜的工作距离必须大于被测镜头的焦距。
图7-2 负透镜焦距测量原理图测量时应选择合适的光束直径。
由于照相物镜的残留像差比较大，从像差的角度考虑，测量光束的直径越小，由像差引起的测量误差越小；从确定像面(焦平面)的角度考虑，希望测量光束的直径越大，景深越小；从像面照度的角度考虑，希望测量光束的直径不要太小。
郁道银主编-工程光学(知识点)要点
第一章小结（几何光学基本定律与成像概念）1 、光线、波面、光束概念。
光线：在几何光学中，我们通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线。
波面：发光点发出的光波向四周传播时，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。
光束：与波面对应所有光线的集合称为光束。
2 、几何光学的基本定律（内容、表达式、现象解释）1 ）光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播的。
2 ）光的独立传播定律：不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。
3 ）反射定律和折射定律（全反射及其应用）：反射定律：1、位于由入射光线和法线所决定的平面内；2、反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角和入射角绝对值相等，符号相反，即I’’=-I。
全反射：当满足1、光线从光密介质向光疏介质入射，2、入射角大于临界角时，入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生。
sinI m=n’/n，其中I m为临界角。
应用：1、用全反射棱镜代替平面反射镜以减少光能损失。
（镀膜平面反射镜只能反射90%左右的入射光能）2、光纤折射定律：1、折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；2、折射角的正弦和入射角的正弦之比与入射角大小无关，仅由两种介质的性质决定。
n’sinI’=nsinI。
应用：光纤4 ）光路的可逆性光从A点以AB方向沿一路径S传递，最后在D点以CD方向出射，若光从D点以CD方向入射，必原路径S传递，在A点以AB方向出射，即光线传播是可逆的。
5 ）费马原理光从一点传播到另一点，其间无论经历多少次折射和反射，其光程为极值。
（光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的），也叫“光程极端定律”。
6 ）马吕斯定律光线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。
折/反射定律、费马原理和马吕斯定律三者中的任意一个均可以视为几何光学的一个基本定律，而把另外两个作为该基本定律的推论。
工程光学第七章典型光学系统
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2场2 。
距离
距离
R为远点视度，P为近点视度，单位为屈光度（D）=1/m。 医学上， 1D=100度。 随着年龄增大，肌肉调节能力下降，调节范围减小。
（二）眼的缺陷及校正
眼睛的远点在无限远或眼光学系统的后焦点在视网膜上，称
为正常眼。
正常眼观察近物时，物体距眼最适宜的距离是250mm，称
为明视距离M。
4
①近视眼 近视眼的网膜离水晶体太远或水晶体表面曲率太大，无限 远物点成像在网膜之前，远点在眼前有限远。 需配一负光角度凹面透镜，透镜的像方焦点与眼睛的远点 重合，这样，无限远物点就能成像在网膜上。
大小应与目 500tgw 6，8，11，16，22，32。 镜的视场角 250 D ②成实像的眼睛、摄影和投影系统。
f e
e
一致： e
2 y 5 0 0tg w e
5 0 0tg w
表明：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物
空间的线视场越小。
18
三、显微镜的出瞳直径 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： n ysinun ysinu nsinuyn sinu y n sinu fo
(工程光学教学课件)第7章 典型光学系统
D' l'z D lz
[例7-4] 有一显微镜，物镜的放大率β=-40×，目镜的倍率 为Γe=15（均为薄透镜），物镜的共轭距为195mm，求物 镜和目镜的焦距、物体的位置、光学筒长、物镜和目镜的间 距、系统的等效焦距和总倍率。
解： 已知物镜的共轭距L=195mm和放大率β=-40×
11 1
l' l f0'
眼睛的视角分辨率相适应，即光学系统的放大率和被观察物体所
需的分辨率的乘积等于眼睛的分辨率。
五、眼睛的对准精度
对准：是指在垂直于视轴方向上的重合或置中过程； 对准误差：对准后，偏离置中或重合的线距离或角距离。
六、眼睛的景深
当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节 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。
设艾里斑的半径为 a,则 :
a 0.61 n'sin u'
道威判断：两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为 0.85a 时，则能被光学系统分辨。
设显微镜能分辨的物方两点间最短距离为
由瑞利判断可得：
a 0.61 0.61 n sin u NA
（7-28）
由道威判断或得：
0.85a 0.5 NA
眼睛的调节能力：用能清晰调焦的极限距离表示， 即远点距离lr和近点距离lp。以远点距离lr和近点 距离lp的倒数差来度量：
1 1 RP A lr lp
(7-1)
正常眼：眼睛的像方焦点F’与视网膜重合； 远点位于人眼前无限远处。
近视眼：眼睛的像方焦点F’位于视网膜前方； 远点位于人眼前有限距离处。
开普勒望远镜746三望远镜的视场孔径光阑渐晕光阑y为分划板半径2一般在1015伽利略望远镜孔径光阑视场光阑例76有一架开普勒望远镜视觉放大率为6物方视场角28出瞳直径d5mm物镜和目镜之间距离l140mm假定孔径光阑与物镜框重合系出瞳距离目镜口径分划板直径物镜口径和目镜焦距物镜焦距目镜的作用类似于放大镜把物镜所成的像放大在人眼的远点或明视距离供人眼观察其光学特性参数有
工程光学习题解答--第七章-典型光学系统
工程光学习题解答--第七章-典型光学系统第七章 典型光学系统1．一个人近视程度是D 2-（屈光度），调节范围是D 8，求： （1）远点距离； （2）其近点距离；（3）配戴100度近视镜，求该镜的焦距； （4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离； （5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。
解： ① 21-==rl R )/1(m∴ ml r5.0-=②PR A -= D A 8= D R 2-=∴D A R P 1082-=--=-=m P l p1.01011-=-== ③f D '=1 ∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-=' m l R1-='⑤P R A '-'= DA 8=D R 1-='DA R P 9-=-'='m l P11.091-=-='2．一放大镜焦距mm f 25='，通光孔径mm D 18=，眼睛距放大镜为mm 50，像距离眼睛在明视距离mm 250，渐晕系数为%50=k ，试求（1） 视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。
已知：放大镜 mm f 25=' mmD 18=放mm P 50='mm l P 250='-'%50=K求：① Γ ② 2y ③l 解：①f D P '-'-=Γ125501252501250-+=''-+'=f P feye92110=-+=②由%50=K 可得：18.050*2182=='='P D tg 放ωωωtg tg '=Γ ∴02.0918.0==ωtg D y tg =ω ∴mmDtg y 502.0*250===ω∴mm y 102= 方法二：18.0='ωtg Θmmtg y 45*250='='ωmml 200-='mmfe 250='mm l 2.22-=yy l l X'==='=92.22200βΘmm y 102=③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'='l l =-'1125112001=--lmml 22.22-=3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x3-=β，数值孔径1.0=NA ，共扼距mm L 180=，物镜框是孔径光阑，目镜焦距mm f e25='。
工程光学习题解答第七章_典型光学系统
第七章 典型光学系统1．一个人近视程度是D 2-（屈光度），调节范围是D 8，求： （1）远点距离； （2）其近点距离；（3）配戴100度近视镜，求该镜的焦距； （4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离； （5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。
解： ① 21-==rl R )/1(m ∴ m l r 5.0-=②P R A -= D A 8= D R 2-= ∴D A R P 1082-=--=-=m P l p 1.01011-=-== ③fD '=1∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-='m l R1-=' ⑤P R A '-'= D A 8= D R 1-='D A R P 9-=-'='m l P11.091-=-=' 2．一放大镜焦距mm f 25='，通光孔径mm D 18=，眼睛距放大镜为mm 50，像距离眼睛在明视距离mm 250，渐晕系数为%50=k ，试求（1） 视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。
eye已知：放大镜 mm f 25=' mm D 18=放 mm P 50=' mm l P 250='-'%50=K求：① Γ ② 2y ③l 解：①fDP '-'-=Γ1 25501252501250-+=''-+'=f P f 92110=-+=②由%50=K 可得： 18.050*2182=='='P D tg 放ω ωωtg tg '=Γ ∴02.0918.0==ωtg Dytg =ω ∴mm Dtg y 502.0*250===ω ∴mm y 102= 方法二：18.0='ωtg Θ mm tg y 45*250='='ω mm l 200-=' mm fe 250='mm l 2.22-= yy l l X '==='=92.22200βΘ mm y 102=③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'='f l l '=-'11125112001=--l mm l 22.22-=3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x3-=β，数值孔径1.0=NA ，共扼距mm L 180=，物镜框是孔径光阑，目镜焦距mm f e 25='。
《工程光学》课件
光学信号处理原理
光学信号处理概述 简要介绍了光学信号处理的基本 概念和原理，包括光波的干涉、 衍射、傅里叶变换等方面的知识 。
全息术与光学信息处理 简要介绍了全息术的基本原理和 应用，以及光学信息处理技术的 发展和应用前景。
干涉测量技术 详细介绍了干涉测量技术的基本 原理和应用，包括干涉仪的结构 和工作原理、干涉图样的分析和 解释等方面的知识。
的发展提供了新的机遇和挑战。
工程光学在各领域的应用
能源领域
太阳能利用、激光焊接、激光切割等 。
通信领域
光纤通信、光网络技术等。
环境监测领域
光谱分析、大气污染监测等。
生物医学领域
医学成像、光谱诊断、激光医疗等。
CHAPTER 02
工程光学基础知识
光的本质与传播
光的本质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。 其电磁场振动方向与传播方向垂直， 表现出横波的特征。
显微镜
介绍了显微镜的基本原理和结构，包括透射光显微镜和反 射光显微镜等类型，以及显微镜的性能参数和选择方法。
激光器
简要介绍了激光器的基本原理和结构，包括气体激光器、 固体激光器、光纤激光器等类型，以及激光器的性能参数 和应用领域。
光学系统设计原理
光学系统设计基础
介绍了光学系统设计的基本概念和原则， 包括光学材料、光学镀膜、光学元件加工
光学信息处理实验
研究光学信息处理技术，如傅里叶 变换、光学图像处理等，掌握光学 信息处理系统的基本构成和操作方 法。
光学系统设计与制造实践
光学系统设计实践
通过实践了解光学系统设计的基本原理和方法，掌握光学设 计软件的使用技巧，熟悉光学元件的选择和加工工艺。
光学制造工艺实践
工程光学第7章典型光学系统
物体位于明视距离处对人眼的张角放大镜的工作原理250mm,r=−两块密接透镜构成的放大镜显微镜物镜物平面到像平面的距离称为共轭距。
各国生产的通用显微物镜的共轭距离大约为190mm 左右。
我国适用于远视眼的视度调节适用于近视眼的视度调节F eF F eF满足齐焦要求：调换物镜后，不需再调焦就能看到像——物镜共轭距不变加反射棱镜、平行平板镜的焦面上，然后通过目镜成像在无限远供人眼观察。
无限筒长显微镜：被观察物体通过物镜以后，成在无限远，在物镜的后面，另有一固定不变的镜筒透镜(我国规定焦距250mm)，再把像成在目镜的焦面上。
7.3 望远镜§7.3.1 望远镜的工作原理望远镜系统的结构望远镜中的轴外光束走向'tan 'o y f ω=−视角放大率：'tan 'f ω望远镜系统中平行于光轴的光线(a)开普勒望远镜系统和(b)伽利略望远镜系统(a)(b)两类望远镜系统中的轴外光束走向开普勒式望远系统加入场镜的系统=1:2.8照相镜头可变光圈孔径光阑探测器视场光阑−UU′聚光镜显微物镜光源物面孔径光阑孔径光阑可变，调节进入显微物镜的能量，调节入射至显微物镜的光束孔径角，与显微物镜的数值孔径相匹配。
其缺点是光源亮度的不均匀性将直接反映在物面上。
双目望远镜系统望远镜系统简化出瞳距望远镜系统简化'30mmD D =Γ=''tan 8mmo y f ω=−='5mmD =光阑位置D 物D 分D 目l z '01.22d λ=艾里斑Airy disk2)实验系统相同，所用光波波长愈短则艾里斑愈小；U ′刚能分辩的两个像点min0.15≈角距离时人眼还2mm视觉细胞的直径，约5μm U′显微物镜的分辨率'σβσ=显微镜的几何景深2''x u δ≈Δ⋅弥散斑。
工程光学答案第三版习题答案
1 / f ' (n 1)(1 2 )
f ' 1440mm
(n 1) 2 d1 2 0.69m 1 n
n 1 d1 ) 1560mm n n 1 l F f ' (1 d 2 ) 1360mm n n 1 ' lH f '( )d1 120mm n
F
H
H
'
F f
'
'
'
-f -l
x
l
∵ 系统位于空气中， f ' f
y' l ' 10 y l
由已知条件： f ' ( f ) x 1140
l ' (l ) x 7200
解得： f ' 600mm x 60mm
4、已知一个透镜把物体放大 3 投影到屏幕上，当透镜向物体移近 18mm 时，物体将被放
物像相反为虚像。
18、一直径为 400mm，折射率为 1.5 的玻璃球中有两个小气泡，一个位于球心，另一个位
于 1／2 半径处。 沿两气泡连线方向在球两边观察， 问看到的气泡在何处？如果在水中观察， 看到的气泡又在何处？ 解： 设一个气泡在中心处，另一个在第二面和中心之间。 （1）从第一面向第二面看
100mm -l 2
l '2
解得： f
'
l2 100mm 2
=1200mm，由物镜顶点到像面的距离 ，按最简单结构的
7、希望得到一个对无限远成像的长焦距物镜，焦距
L=700 mm，由系统最后一面到像平面的距离（工作距）为 薄透镜系统考虑，求系统结构，并画出光路图。 解：
工程光学习题解答--第七章-典型光学系统
灯丝到物面的距离100mm临界照明
求: 和通光孔径.
解:
∴
∴
6．为看清4km处相隔150mm的两个点（设 ），若用开普勒望远镜观察，则：
（1）求开普勒望远镜的工作放大倍率；
（2）若筒长 ，求物镜和目镜的焦距；
（3）物镜框是孔径光阑，求出射光瞳距离；
（4）为满足工作放大率的要求，求物镜的通光孔径；
④
15．一透镜焦距 ，如在其前边放置一个 的开普勒望远镜，求组合后系统的像方基点位置和焦距，并画出光路图。）
解： ,求得：
答：组合后的焦距是-180mm。基点位置如图所示。
其光路图如下所示：
16．已知， 的双凸透镜，置于空气中。物A位于第一球面前 处，第二面镀反射膜。该物镜所成实像B位于第一球面前 ，如图所示。若按薄透镜处理，求该透镜的折射率n。（）
解：
14．开普勒望远镜的筒长255mm， ， ， ，无渐晕，
（1）求物镜和目镜的焦距；
（2）目镜的通光孔径和出瞳距；
（3）在物镜焦面处放一场镜，其焦距为 ，求新的出瞳距和目镜的通光孔径；
（4）目镜的视度调节在 （屈光度），求目镜的移动量。
① 解得
②
由三角形相似得：
有大三角形相似得：
③
物镜经场镜成像
经目镜成像
(5)
(6)
(7)望远系统光路图如下：
18.思考题
1、用一具已正常调节的望远镜，用来观察地面上的建筑物，怎样调节镜筒的长
度？
答：一具已正常调节的望远镜是用来观察极远的问题的。对物镜而言，物距
接近无穷远，其像距就是物镜的焦距；而对于目镜而言，目镜的物距就是它的焦
距，目镜的像距为无穷远。所以此时筒长等于两透镜的焦距之和。当用它观察地
工程光学第7章
如果眼睛紧贴放大镜，即P’=0，则
y’
P’ ’
y
F’ f’
14
-l’
二．光束限制和线视场
放大镜
眼瞳：孔径光阑，系统的出瞳 放大镜框：视场光阑，入窗，出窗，同时也是渐晕光阑 （视场光阑与物面不重合） 虚像平面
KD=0 KD=0.5 KD= 1
场阑
相对镜目距p’/ fe’ 3.工作距lF ——目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离 lF > 视度调节的深度
43
眼睛及其光学系统
二 . 光学仪器中目镜的视度调节
2 fe x 1000
2 2 Nf e 5 fe x 1000 1000
44
45
目镜
三.目镜类型
1. 惠更斯目镜
出瞳
y
1’
2’
’
15
•
当物面位于放大镜前焦面时，其线视场2y
（50%渐晕）:
K D 0.5 :
tg h P'
y ’ f’ F
500h 2y 2 f tg o P'
F’
P’
16
y F f’
’
2y 2 f tg
KD 1 :
500 h a' o P'
35
望远镜系统
1. 开普勒望远镜
2. 伽利略望远镜
Fo’ Fe
36
望远镜系统
二. 望远镜系统的分辨率和工作放大率
望远镜的分辨率用极限分辨角表示。艾里斑 半径 a=0.61 /n’sinu’ 1. 按瑞利判断
a 1.22 140 f o D D
工程光学7-1
一、显微镜的视觉放大率
机械筒长：
把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜简长度称 为机械筒长，也是固定的。 各国有不同的标准，如160mm、170mm、190mm等， 我国规定160mm作为物镜和目镜定位面的标准距离。
ε以(')为单位。
五、眼睛的对准精度 对准和分辨是两个不同的概念，
分辨是指眼晴能区分开两个点或线之间的线距离或 角距离的能力，
对准是指在垂直于视轴方向上的重合或臵中过程。 对准后，偏离臵中或重合的线距离或角距离称为对 准误差。
两实线重合，对准 误差为±60‚， 两直线端部重合， 对准误差为±10"-20" 双线对准单线和叉 线对准单线，对准 精度均可达之±10"。
在阅读时，或眼睛通过目视光学仪器观测物像时; 为了工作舒适，习惯上把物或像臵于眼前250mm 处，称此距离为明视距离。 正常眼： 眼睛的远点在无限远，或者说，眼睛光学系统的后 焦点在视网膜上，称为正常眼，反之，称为反常眼。
第一节 眼晴及其光学系统
二、眼睛的调节及校正
近视眼： 若远点位于眼前有限眼晴---辐射接收器
视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器。
两种细胞具有完全不同的性质和完全不同的功能。
杆状细胞对光刺激极敏感，但完全不感色; 锥状细胞感光能力比杆状细胞差得多，但它们能对各 色光有不同的感受， 在亮照明时，视觉主要由锥状细胞起作用，
远视眼： 远点位于眼后有限距离，称为远视眼。 50岁以后的远视眼，也称作老花眼。
二、眼睛的调节及校正 眼睛的校正：
欲使近视眼的人能看清无限远点，必须在近视眼前 放一负透镜，使其后焦点F’与远点重合。
欲校正远视眼，需在远视眼前放一正透镜，使其焦 距恰等于远点距。如图
工程光学—光学系统设计概述课件
① 单薄透镜的 SIV由 所决定。 ② SIV与 同号，与薄透镜形状无关。一般不为零。所以单 薄透镜不能校正匹兹凡和。
工程光学—光学系统设计概述
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光学系统的几何像差——场曲(像面弯曲)
场曲的校正
薄透镜系统的匹兹凡和：
①接触的薄系统： 一般总光焦度大于0，折射率相差不大，匹兹凡和不可能为零。
②分离的薄系统： 正正分离对校正 SIV更不利，正负分离可校正 SI。V
光学系统的几何像差——场曲(像面弯曲)
通过推导，可得光学系统场曲的公式：
å x
' p
=
-
1 2n'u'
SIV
SIV
=
j2
n¢ - n nn¢r
SIV 为第四赛得和数也叫匹兹凡和。 场曲的大小和视场的平方成正比。
工程光学—光学系统设计概述
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光学系统的几何像差——场曲(像面弯曲)
场曲的校正
单个薄透镜的匹兹凡和：
第一项为初级球差，第二项为二级球差，第三项为三级球差，二级以上的球差都统称
为高级球差。A1（a1）、A2（a2）、A3（a3）分别称为初级球差系数、二级球差系数和三 级球差系数。
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光学系统的几何像差——球差
球差的影响因素
大部分光学系统二级以上的更高级球差很小，可忽略， 其球差可近似用初级和二级球差之和表示：
lz/ :系统最后一光学面到出 射光瞳的距离 31
光学系统的几何像差——正弦差与彗差
正弦差
偏离等晕条件的程度用正弦差SC‘表示：
n sinU
dL'
SC' = b × n'sinU ' - 1- L '- lz/
《工程光学》实验报告完整版(含答案)
本科生实验报告实验课程工程光学学院名称核技术与自动化工程学院专业名称测控技术与仪器学生姓名苏语稻香学生学号指导教师实验地点6C803实验成绩二〇一八年四月二〇一八年六月填写说明1、适用于本科生所有的实验报告（印制实验报告册除外）；2、专业填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；3、格式要求：①用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。
②打印排版：正文用宋体小四号，1.5倍行距，页边距采取默认形式（上下2.54cm，左右2.54cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm）。
字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）；页码用小五号字底端居中。
③具体要求：题目（二号黑体居中）；摘要（“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4号宋体）；关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体)；正文部分采用三级标题；第1章××(小二号黑体居中，段前0.5行)1.1 ×××××小三号黑体×××××（段前、段后0.5行）1.1.1小四号黑体（段前、段后0.5行）参考文献（黑体小二号居中，段前0.5行），参考文献用五号宋体，参照《参考文献著录规则（GB/T 7714－2005）》。
实验一透镜焦距测量和光学系统基点的测定一、实验目的1.掌握简单光路的分析和调整方法。
2.了解、掌握自准法、位移法测量凸透镜焦距的原理及方法。
3.了解透镜组节点的特性，掌握测透镜组节点的方法。
二、实验任务1.自准法测薄凸透镜焦距f2.用位移法测薄凸透镜焦距f3.测量透镜组节点和焦距。
三、实验内容1.自准法测薄凸透镜焦距f1.1实验原理将物AB放在凸透镜的前焦面上，这时物上任一点发出的光束经透镜后成为平行光，由平面镜反射后再经透镜会聚于透镜的前焦平面上，得到一个大小与原物相同的倒立实像A´B´。
工程光学基础教程_习题参考答案
工程光学基础教程_习题参考答案工程光学基础教程_习题参考答案第一章光学基本知识与技术1.1 什么是光学？光学在人类生活中有哪些应用？答：光学是研究光的行为和性质的物理学科。
它涉及到光的产生、传播、变换、干涉、衍射、偏振以及光在介质中的行为等问题。
光学在人类生活中有着广泛的应用，如眼镜、镜头、显示器、照明、医疗器械、天文望远镜等。
1.2 光的波动性是如何描述的？答：光的波动性是指光是一种电磁波，具有振幅、频率、波长等特征。
它可以在空间中传播，并且可以表现出干涉、衍射等波动性质。
光的波动性可以通过波长、频率、振幅等参数进行描述。
1.3 什么是光的干涉？举例说明其应用。
答：光的干涉是指两列或两列以上的光波在空间中叠加时，由于光波的叠加产生明暗相间的干涉条纹的现象。
光的干涉在很多领域都有应用，例如光学干涉仪、双缝干涉实验、全息照相、光学通信等。
1.4 什么是光的衍射？举例说明其应用。
答：光的衍射是指光在遇到障碍物或孔径时，会绕过障碍物或孔径边缘，产生明暗相间的衍射图案的现象。
光的衍射在很多领域也有应用，例如光学透镜、衍射光学器件、全息照相、光学存储等。
1.5 什么是光的偏振？举例说明其应用。
答：光的偏振是指光波的电矢量在振动时，只在某个方向上振动，而在其他方向上振动为零的现象。
光的偏振在很多领域也有应用，例如偏振眼镜、偏振片、偏振光学器件等。
第二章光学透镜与成像2.1 什么是透镜？列举几种常见的透镜及其特点。
答：透镜是一种光学器件，它由一块透明材料制成，可以聚焦或发散光线。
常见的透镜包括凸透镜、凹透镜、平凸透镜、平凹透镜等。
2.2 凸透镜的成像原理是什么？如何计算凸透镜的焦距？答：凸透镜的成像原理是光线经过凸透镜后，平行于主轴的光线会聚于一点，这个点称为焦点。
焦距是指从透镜中心到焦点的距离。
凸透镜的焦距可以通过公式 f=1/v+1/u 进行计算，其中f为焦距，u为物距，v为像距。
2.3 凹透镜的成像原理是什么？如何计算凹透镜的焦距？答：凹透镜的成像原理是光线经过凹透镜后，平行于主轴的光线会朝透镜中心方向会聚于一点，这个点称为虚焦点。
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欲校正远视眼， 需在远视眼前放 一正透镜，使其 焦距恰等于远点 距。如图
二、眼睛的调节及校正
视度：
远点距离lr(单位为m）的倒数表示近视眼或远视眼 的程度，称为视度，单位为屈光度(D)。
通常医院和眼镜店把lD称作l00度。 散光度： 若水晶体两表面不对称，则使细光束的两 个主截面的光线不交于一点，即两主截面的远点距 也不相同，视度R1≠R2。 其差作为人眼的散光度 AST。 AST=R1-R2
140' ' D
四、眼睛的分辨率
当瞳孔直径增大时，眼睛光学系统的像差增大，分 辨能力随之减少。 由于眼睛具有较大色差，故视角鉴别率随光谱而异， 连续光谱中间部分的视角鉴别率高于红光和紫光部 分的鉴别率。
四、眼睛的分辨率
视角敏锐度: 眼睛的分辨能力或视觉敏锐度是极限鉴别率的倒 数: 视角敏锐度=1/ε 眼睛的视角鉴别率因人而异，并视观察条件而变 化。 在设计目视光学仪器时，应使仪器本身由衍射决定 的分辨能力与眼睛的视角分辨率相适应， 即光学系统的放大率和被观察物体所需要的分辨率 的乘积应等于眼睛的分辨率。
校正散光可用圆柱面或双心圆柱面透镜。
三、眼晴---辐射接收器
视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器。
两种细胞具有完全不同的性质和完全不同的功能。
杆状细胞对光刺激极敏感，但完全不感色; 锥状细胞感光能力比杆状细胞差得多，但它们能对各 色光有不同的感受， 在亮照明时，视觉主要由锥状细胞起作用，
lD=1m-1
二、眼睛的调节及校正 眼睛调节能力的度量： 眼睛的调节能力是以远点距离lr和近点距离lp的倒 数之差来度量,即：
1 1 R P A lr lp
其单位也为D。
调节范围随人的年龄而变化。当年龄增大时，调节 范围变小。
第一节 眼晴及其光学系统
二、眼睛的调节及校正
明视距离：
y'i l ' tg ' tg ' y'e l ' tg tg
一、视觉放大率
人眼直接观察时，一般把物体放在明视距离上， D=250mm ，则
y tg D
一、视觉放大率
当人眼通过放大镜观察物体时。虚像对人眼的张角:
y' tg ' l ' P '
tg ' y' D tg y( P ' l ' )
视角: 物体对人眼的张角称作视角，
四、眼睛的分辨率
视角鉴别率: 对应视觉周围很小范围，在良好照明时，人眼能分 辨的物点间最小视角称作视角鉴别率ε， 满足下式： 0.006
tg
f'
眼晴在没有调节的松弛状态下，f‘≈23mm，可 得ε=60″。
若把眼睛看作理想光学系统，则
当D=2mm时,ε=70″。
若眼睛调节在无限远p=∞，则远、近景深距离为
Dp P1 P Dp 2
第二节 放 大 镜
一、视觉放大率
物体离眼睛越近，张角越大。 被观察的物体细节对眼睛节点的张角大于眼睛的分 辨率60″时，眼睛才能分辨。 为了扩大人眼的视觉能力，人们设计和制造了各种 目视光学仪器，如放大镜、显微镜和望远镜等。
第一节 眼晴及其光学系统
二、眼睛的调节及校正
远点距离和近点距离： 眼睛的调节能力用能清晰调焦的极限距离表示，即 远点距离lr和近点距离lp。
发散度(或会聚度)： 远点距离lr和近点距离lp的倒数： 1/lr=R 1/lp=P 表示远点和近点的发散度(或会聚度)，其单位为屈 光度(D)，属非法定计量单位，
弱照明时，视觉主要由杆状细胞起作用;
最小的亮度灵敏度为673lm/w，最大的亮度灵敏度 为1725lm/w。
三、眼晴---辐射接收器
适应：
眼晴对周围空间光亮情况的自动适应程度叫作适应。
适应分为明适应和暗适应。 明适应：发生在由暗处到亮处时， 暗适应：发生在由亮处到暗处时。 适应是通过瞳孔的自动增大或缩小完成的。
ab P
Dp P P2 P P2 D p P P1 P1 P
PDp P1 D p P P PDp 2 D p P
远、近景深分别为：
PDp P 2 1 P P1 P D p P D p P PDp P 2 P P P 2 2 D p P D p P
在阅读时，或眼睛通过目视光学仪器观测物像时; 为了工作舒适，习惯上把物或像臵于眼前250mm 处，称此距离为明视距离。 正常眼： 眼睛的远点在无限远，或者说，眼睛光学系统的后 焦点在视网膜上，称为正常眼，反之，称为反常眼。
第一节 眼晴及其光学系统
二、眼睛的调节及校正
近视眼： 若远点位于眼前有限距离，称为近视眼;
第一节 眼晴及其光学系统
一、眼睛的结 成像光学系统
目视光学仪器都和人眼一起使用。
了解人眼的结构及其光学特性对设计目视光学仪器 非常必要。 人眼本身相当于摄影光学系统。如图
第一节 眼晴及其光学系统
一、眼睛的结 成像光学系统
第一节 眼晴及其光学系统
一、眼睛的结 成像光学系统
在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看作成像元，如角 膜、前室(水状液)、水晶体和后室(玻璃体)。
由垂轴放大倍率公式
f ' l ' D P ' l ' f '
x' l ' f ' y' y y f' f'
当眼睛调焦在无穷远，即l'=∞ ,物体放在放大镜的 前焦点上，则有：
D 250 0 f' f'
f‘ 的单位是mm。
此视觉放大率作为放大镜和目镜的光学常数，通 常标注在其镜筒上。知道了Γ值，就可以求出其 相应的焦距。
一、视觉放大率
若眼晴紧靠着放大镜，即P'≈O，则
250 1 f'
常用的放大镜，其倍率在2.5-25之间。 若用单透镜(平凸或双凸)作放大镜，由于不能校正 像差，通常不超过3 × 倍率 较大的放大镜由组合透镜组成。 若放大镜的物是前面光学系统所成的像，则把这样 的放大镜称作目镜
二、光束限制和线视场
人眼的视场可达150°
但能同时清晰地观察物体的范围只在视轴周围6-8°
在观察物体时，眼球自动旋转，使视轴对准物体
第一节 眼晴及其光学系统
二、眼睛的调节及校正
眼睛的调节： 眼睛的成像系统对任意距离的物体自动调焦的过程 称作眼睛的调节。
通过环形肌肉调节使水晶体的曲率半径变小，导致 水晶体表面的曲率增大， 从而眼睛的焦距可由 23mm下降至18mm。
ε以(')为单位。
五、眼睛的对准精度 对准和分辨是两个不同的概念，
分辨是指眼晴能区分开两个点或线之间的线距离或 角距离的能力，
对准是指在垂直于视轴方向上的重合或臵中过程。 对准后，偏离臵中或重合的线距离或角距离称为对 准误差。
两实线重合，对准 误差为±60‚， 两直线端部重合， 对准误差为±10"-20" 双线对准单线和叉 线对准单线，对准 精度均可达之±10"。
六、眼睛的景深
当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节能同 时看清对准平面前和后某一距离的物体，称作眼晴 的景深。如图
ห้องสมุดไป่ตู้景平面
对准平面 近景平面
对准平面P上的物点A在视网膜上形成点像A'。 在对准平面 的远景平面和近景平面上A1、A2点在视网膜上形成弥散斑， 弥散斑的大小对应人眼的极限分辨角ε。 设眼瞳直径为Dp， 则由图得
放大镜与眼睛组合构成目视光学系统。 眼瞳是孔径光阑，又是出瞳。 放大镜框是视场光阑， 又是出、入射窗，
当渐晕系 数K分别 为100%、 50%和0时， 像方视场 角分别为
当渐晕系数K分别为100%、50%和0时，像方视 场角分别为
( h a' ) tg '1 tg ' h P' tg '2 ( h a' )
250mm f'
则
一、显微镜的视觉放大率
即与放大镜的视觉放大率公式相同。
这说明显微镜实质上与放大镜相同，故可以把显微 镜看作组合的放大镜.
共扼距: 显微镜物镜从物平面到像平面的距离。
各国生产的通用显微镜的共扼距，不论放大率如何 都是相等的，大约等于180mm。
对于生物显微镜，我国规定为195mm。
第七章 典型光学系统
本章主要介绍：放大镜、显微镜、望远镜、摄影 仪器和投影仪器等光学系统的成像特性和设计要 求，组成上述光学系统的物镜和目镜的结构型式 及其主要光学参数等。
第七章 典型光学系统
第一节 眼晴及其光学系统 第二节 放 大 镜 第三节 显微镜系 第四节 望远镜系统 第五节 目镜 第六节 摄影系统
P'
P'
放大镜的视场通常用物方线视场2y表示，如图。
当物面放在放大镜前焦平面上时，像平面在无限 远，则线视场为(50%渐晕)：
2 y 2 f ' tg ' 250 h 500h 2 ( mm) 0 P ' 0 P'
由此可知，放大镜的倍率越大，线视场越小。
第三节 显微镜系统
四、眼睛的分辨率
通过视网膜的结构，眼睛能把两相邻的点分开。
视神经能够分辨的两像点间最小距离应至少等于两 个视神经细胞直径，
若两像点落在相邻的两个细胞上，视神经无法分辨 出两个点，故视网膜上最小鉴别距离等于两神经细 胞直径，即不小于0.006mm。