《典型光学系统》.(DOC)
第八章 典型光学系统 应用光学教学课件
为什么不直接用光束口径,而采用相对孔径来代表望远物镜的 光学特性?? 是因为相对孔径近似等于光束的孔径角2U’max. 相对孔径越大，U’max越大，象差也就越大。为了校正像差， 必须使物镜的结构复杂化。 相对孔径代表物镜复杂化的程度
3. 视场 系统所要求的视场，也就是物镜的视场
材料容易制造，特别对大口径零件更是如此
大口径的望远镜都采用反射式 反射望远镜在天文望远镜中应用十分广泛 反射表面磨制的要求是很高的,再加上需经常重新镀反射面及部件组装、校
正的困难，反射系统在科普望远镜中应用受到限制
1.牛顿系统 一个抛物面和一块与光轴成45度的平面反射镜构成 2 格里高里系统 一个抛物面主镜和一个椭球面副镜构成
二 望远系统的放大率及工作放大率
1、望远系统的分辨率：用极限分辨角φ表示 按瑞利判断：φ＝140″/D 按道威判断：φ＝120″/D 即：入射光瞳直径D越大，极限分辨率越高。
2、视觉放大率和分辨率的关系 φ Г＝60″，Г＝60″/φ＝D/2.3 望远镜的视放大率越大，它的分辨精度就越高 3、有效放大率（正常放大率）：望远镜的正常放大率应使
第八章 典型光学系统
3、眼睛的光学参数：
标准眼： 根据大量的测量结果，定出了眼睛的各项光学常数，
包括角膜、水状液、玻状液和水晶体的折射率、各光学 表面的曲率半径、以及各有关距离。
简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型
二、眼睛的调节及校正
1、眼睛的调节原理? 折射球面r的改变
远点距，肌肉完全放松时，眼睛所能看到的最远lr 近点距，肌肉最紧张时，眼睛所能看到的最近点lp
3. 一望远物镜焦距为1m，相对孔径为1：12，测出出瞳 直径为4mm，试求望远镜的放大率和目镜焦距。
典型光学系统试验
\本科实验报告课程名称：应用光学实验姓名：韩希学部：信息学部系：信息工程专业：光电学号：3110104741 指导教师：蒋凌颖实验报告课程名称： 应用光学实验 指导老师成绩：__________________实验名称：典型光学系统实验 实验类型： 同组学生姓名： 蒋宇超、陈晓斌 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求深入理解显微镜系统、望远镜系统光学特性及基本公式； 掌握显微镜系统、望远镜系统光学特性的测量原理和方法。
二、实验内容和原理(1)望远镜特性的测定测定望远镜的入瞳直径D 、出瞳直径D ’和出瞳距错误!未找到引用源。
；测定望远镜的视觉放大率Γ；测定望远镜的物方视场角错误!未找到引用源。
，像方视场角错误!未找到引用源。
；测定望远镜的最小分辨角φ。
对于望远镜系统来说，任意位置物体的放大率是常数，此值由物镜焦距错误!未找到引用源。
和目镜焦距错误!未找到引用源。
确定，其视觉放大率可表示为(2) 显微镜视场及显微物镜放大率的测定 显微物镜的放大率是指横向放大率式中 y ——标准玻璃刻尺上一对刻线的距离（物）（格值0.01mm ）；y ′——由测微目镜所刻得的像高。
(3)显微物镜数值孔径的测定显微物镜的数值孔径为错误!未找到引用源。
,其中n 为物方介质的折射率，u 为物方半孔径角。
若在空气中n=1,则错误!未找到引用源。
数值孔径通常用数值孔径计来测定，数值孔径计的结构如图5示，其主要元件是一块不太厚的玻璃半圆柱体，沿直径方向的侧面是与上表面成45度角的斜面，从侧面入射的光线在斜面上全反射，上表面上有两组刻度沿圆周排列。
其外圈刻度为数值孔径（即角度的正弦值），专业： 光电信息工程 姓名： 韩希 学号： 3110104741 日期：2013年6月15日 地点：紫金港东四605内圈刻度为相应的角度值，以度为单位。
典型光学系统-望远镜 -适用学生自己做课件讲义
• 开普勒型望远镜的目镜为正光组，所以成像为倒像。 • 望远镜的视觉放大率是由其组合方式决定的，与物像共轭位置 无关。 欲增大视觉放大率，必须增大物镜的焦距或减小目镜的焦距， 但是开普勒望远镜的目镜焦距不能小于6mm，以便是望远系统 保持一定的出瞳距来与人眼瞳孔重合。 • 因此，增大物镜焦距是提高放大率的主要途径。
（二）伽利略型望远镜 1.伽利略型望远镜以人的瞳孔为孔径光阑， 同时也是望远镜的出瞳。入瞳经望远镜成 像与人眼的后方。物镜框为视场光阑。
2.当物镜的口径确定后，伽利略型望远镜 视场因渐晕系数不同而不同。
设物镜直径为D，物镜像的直径为D′，入瞳 到物镜的距离为l，出瞳到物镜的距离为l′, 渐晕系数K=0.5视场角为 tanω =-D/2l，tanω ′=-D/2l′ 视场放大率Γ =tanω /tanω ′=-D′/D 2 2 lZ=Γ l′=Γ （-l′+l′Z） 故 tanω =-D/2lZ=-D/2Γ （L+Γ l′Z） 式中L=fO+fE为望远镜的机械筒长，l′Z为眼 睛到目镜的距离。
4.视觉放大率的定义 视觉放大率 Γ =y/y′=tanω ′/tanω (1) 望远镜的视觉放大率就是其角的放大率。 设 无穷远处物体在物镜焦平面上成像大小为y′，由像高决定 望远镜的物方视场角为: tanω =-y′(o)/f′（o） 物镜的像也是目镜的物，则物高决定目镜像方视场角为: tanω ′=y(e)/f′（e） 带入（1）式得： Γ =-f′(o)/f′(e) (2)
Ψ Γ ≥60′′ Γ =D/2.3
视角放大率满足人眼分辨匹配要求 的最小视角放大率，称为有效放大率。
望远镜的光束限制
（一）开普勒型望远镜
(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
第七章典型光学系统
§7.2 放大镜
一、视觉放大率
人眼感觉物体的大小取决于其像在视网膜上的大小，当光 学系统的焦距一定时，也取决于物对人眼的张角的大小。
物对人眼的视角取决于距离，二者之间成反比。 目视光学仪器，可以扩大人眼的视觉能力；其像对人眼的
张角大于人眼直接观察时物对眼的张角。 视觉放大率：用仪器观察物体时，视网膜上的像高y'i与人眼
②物镜的外壳要求保证经物镜所成的实像面有固定的位置。 ③目镜的物方焦平面与物镜的像面重合。
三、显微镜的光束限制：
（1）孔径光阑： 对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑； 对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑； 或专门设置孔径光阑（在像方焦平面上）。
* 观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像)重合。
感光元件框是视场光阑，它决定了像空间的成像范围。
当感光元件尺寸一定时，物镜的视场角取决于焦距的大小。
物在无穷远时， 物在有限远时：
tgm axym ax/2f
y
ym ax
/
ym ax 2f
x
所以，焦距与视场成反比。
32
(2) 分辨率: 摄影系统的分辨率取决于物镜的分辨率和接收器的分辨率。 分辨率是以像平面上单位长度能分辨的线对数来表示。 设，物镜的分辨率为NL，接收器的分辨率为Nr,则， N 1 1 NL Nr
EM Ecos4
所以，可用可变光阑作为孔径光阑控制相对孔径的大小，
以改善像面的照度。
3.摄影物镜的景深：
1
由此可见：焦距越长，景深越小；
对准距离越远，景深越大。2
选用的光圈F越大，景深越大。
2a 2a
f f
P2
/ DP
P2
/ DP
工程光学第章典型光学系统课件 (一)
工程光学第章典型光学系统课件 (一)
工程光学部分中，光学系统是一个非常重要的概念。
作为光学系统学习的第一步，我们需要学习典型的光学系统。
在本节课件中，我们将会学到三种典型的光学系统：单透镜系统、双透镜系统和望远镜。
第一，单透镜系统是最简单的光学系统，由一个透镜组成。
在这种情况下，光线从物体经过透镜形成像。
单透镜系统中，我们需要考虑像的位置和大小，物像距离和像的性质，如实际或虚像。
这些性质可以通过把物体图和像的图画在一起来表达。
第二，双透镜系统包括两个透镜，用于对光线进行更复杂的控制。
目光机是双透镜系统的一种，其中一个透镜更接近眼睛，另一个透镜离眼睛更远。
双透镜系统可以具有不同的配置，但是我们通常需要在系统中考虑的属性包括眼睛和物体之间的距离、眼睛所处位置、物体的位置、望远镜的放大率等，这些属性可以帮助我们确定望远镜成像的性质和特征。
第三，望远镜可以用于查看遥远的物体。
望远镜可以看作是双透镜系统的一种特殊情况，其中一个透镜是目镜行星镜，另一个透镜是大反射镜或透镜。
望远镜与单透镜和双透镜系统的不同之处在于，望远镜中透镜的位置和物体和眼睛的距离都有所不同。
在这三种光学系统中，我们学会了处理物体成像和图像特性的能力。
到达像靠近元素也需要一定的反思和技巧。
我们还意识到，光学系统可以有许多乐趣和有趣的应用场景，例如望远镜和显微镜等等。
对于喜欢光学系统的人来说，这是一种非常有趣和有创造性的领域，它可以启发人们的想象力和知识积累，可以帮助人们更好地理解我们周围的世界。
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。
典型光学系统
f1 tg
f 2 tg
f1 tg tg f 2 D D D 2 f1 2 f 2 D
1、D 为望远镜的入射光瞳直径 ；D‘ 为望远镜的出射光瞳直径 ； 2、望远镜的视觉放大率决定于望远系统的结构。
三、分辨率及工作放大率
2y
4、显微镜的景深
2 y
物
nf 250 mm n 2dx NA NA
显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。
三、显微镜的分辨率和有效放大率
1、分辨率（用分辨距离σ 表示）
1）两个发光点的分辨率：
1.22 0.61 2n sin U NA
这些特性参数决定了望远镜的分辨率，像的主观亮度，和系统的 外形尺寸。
2）物镜的焦距 f1 ：在目镜焦距 f 2 选定后，由视觉放大率决定； 3）望远物镜需校正的主要象差：有球差、色差和正弦差； 4）物镜后有 透镜转象系统时，二者可分别校正象差； 棱镜转象系统时，必须用物镜和棱镜的象差互相补偿。
2、望远目镜
五、显微目镜
主要光学特性参数有： 1、视觉放大率：
250 0 f目
2、目镜的线视场（由视场光阑的大小决定）
3、镜目距（出瞳距离）： l Z 6mm
4、目镜的通光口径： 由渐晕系数及几何关系决定。
习题2：一个显微镜物镜的垂轴放大倍率为-3倍，数值孔径为
0.2，共轭距L为180毫米，物镜框为孔阑，目镜焦距为30毫米，求：
0.5 NA
设所用照明的平均波长为0.00055mm， 有
近似为： 显微镜的放大率取决于物镜的分辨率或数值孔径。当使用比有效 放大率下限(500NA)更小的放大率时，不能看清物镜已分辨出的某些 细节。若用比有效放大率上限(1000NA)更高的放大率，是无效放大， 并不能使被观察物体的细节更清晰。
典型光学系统
• 当人眼通过放大镜观察物体时
y' f 'l ' y tg ' P'l ' P'l ' f '
• 视放大率
tg ' f 'l ' D tg P'l ' f '
一般有：
tg ' f 'l ' D tg P'l ' f '
当l ' 当 P' f '
70
80
近点距 (cm)
远点距 （cm) A=R-P (屈光度)
-10 -14 -22 -40 -200 100 40 200 80 40
14
10
7
4.5
2.5
1
0.25
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在由暗处 到亮处时，适应时间大约几分钟；后者发生在由亮
近视眼
-r
远视眼：
r
散光眼
第一子午面
-r
第二子午面 -r
1.4 人眼的分辨力
• 明视距离：人眼在近距离工作时的通常距离 250 MM.
• 分辨力：眼睛能分辩两个很靠近的点的能力称为眼睛的
分辨率。
• 最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼睛的张角称为眼 睛的最小分辩角：60秒 • 最小分辨距离：在明视距离处（ 250MM ）最小分辨角对 应的线量：0.0725MM。
• 望远系统的视放大率等于仪器的角放大率
f '物 tg ' tg ' tg tg f '目
第七章 典型的光学系统
显然，从公式中见， Γ 是一个变量，它随着 p' （放大镜与人眼距离）和 l ' （虚像 与放大镜的距离）的变化而变化。 讨论：1）当 l ' = ∞ 时，即物放于透镜前焦点上时，从上式有： Γ =
D = 250 / f ' f'
2）但是实际上由于人眼观察物体最佳距离为明视距离，250 毫米处，故
为了舒适起见，一般将放大镜所成的虚像成像于明视距离处，而不是无穷远。
图 7—10
显微镜成像原理
在整个成像过程中，目镜起到了一个放大镜的作用，所以它对物体所起的放 大是一个视觉放大，而物镜所起的则是一个垂轴放大作用。显然整个显微镜的视 觉放大率既与物镜的垂轴放大率有关，也与目镜的视觉放大率有关。
Γ = β o ⋅ Γe x'1 250∆ 250 ∆ =− ⇒Γ=− = f 'o f 'o f 'o f 'e f'
∆ L = ∆θ L2 b
c 1 d
c 2 d
1
2
体视半径
可见， ∆L 与 L 及视差有关，随着它们取值的不同，有不同的 ∆L 值。
§7－2
一、视觉放大倍率
放大镜
P' y'
ω'
y F' -l' f'
图 7-8 1、定义：
放大镜成像原理
通过放大镜观察物体时，其像对眼睛所张角度的正切，与眼直接看物体时对 眼所张角度的正切之比。
a
c
) )
δ =( ~
1 6
)
d
b
对准形式
1 )ε 10
)
A C
图 7—5
1 1 ' J C 1 ' A 1 ' B
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
工程光学第七章 典型光学系统
★ 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。
9、视网膜(Retina)：后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经 细胞和神经纤维构成。 调节 ——感光和成像的位置。 肌
(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。
★ 两物点的间距逐渐变小时，对应像点的位置变化： (a) (b) (c)
★系统的分辨率：光学系统能分开两个像点的最小距离。
二、瑞利判据 ：等亮度的两个物点，其一衍射图样的中央 极大与另一衍射图样的第一级极小重合时， 认为刚好能分辨这两个物点。
——能分辨的两个等亮度点间的距离对应于艾里斑半径。
无限远物点被理想光学系统成衍射图案：
第一暗环半径对出瞳中心的张角：
=1.22 / D, 入瞳直径D的函数
——能分辨的二点间的最小角距离
0.555 m
=140 / D, D(mm)
补充 2：目视光学仪器
一、裸眼直接成像：
★ 视角ω ：
ye y tan l l0
y
眼睛的光心O0：眼睛节点, 主点近似看做重合的位置
4、物体经眼睛成像于视网膜 ★ 眼睛的光心O0：眼睛节点、主点近似看做重合的位置。 （进一步简化）
★ 视角ω ：
y y1 tan l l0
y1
1 (
y 2 2 (
O0
l
l0
y2
y1
★ 人眼对物体大小的感觉，取决于像在视网膜上的大小； 或，视网膜上的像对眼睛光心张角（视角）的大小。 ★ 视角取决于物的大小和物距，但是物距必须在近点之外。
典型光学系统_工程光学
3）分辨率公式：1/N＝1/NL＋1/Nr
NL＝1/σ＝D/1.22λf ’
精品课件
6
4）光圈的定义及其与孔径光阑、分辨率、 像面照度、景深的关系： 光圈数：F＝f’/D， 光圈F, 光圈
2a,光圈分辨率，光圈像面照度 ，光圈 景深
精品课件
2
4. 关于显微镜系统：
1）组成（光学结构特点）、成像关系、 光束限制（生物显微镜和测量显微镜）
2）视觉放大率公式： 3）线视场公式Г：＝250/ f'ttg g' f2'05f '0 e e 4）数值孔径、出瞳D’：50NtAg0＝'nsi5nu0,tg0 D'＝500NA/Г
2y e
第七章 典型光学系统
1.正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征是什么？应如何校正非正常眼？调节能 力的计算公式是什么？
2.什么是视觉放大率？表达式及其意义？它与光学系统的角放大率有何异同？
精品课件
y'i l'tg' tg' y'e l'tg tg
1
＝2501 P' f' f'
3.放大镜的视觉放大率为何？（注意条件） 0＝D/f '＝250/f ཆ.61
nsinu NA
6）显微镜的有效放大率：500NA≤Г≤1000NA
7）物镜的景深：NA,
8）视度调节： xN'fe2 5f 'e2(mm )
10001000
5. 临界照明和坷拉照明中的光瞳衔接关系？
精品课件
4
6. 关于望远系统（开普勒）：
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
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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-=-==③f D '=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。
已知：放大镜 mmf 25='mmD 18=放 mm P 50='mm l P 250='-'%50=K求：① Γ ② 2y ③l 解：①fDP '-'-=Γ1 25501252501250-+=''-+'=f P f eye92110=-+=②由%50=K 可得： 18.050*2182=='='P D tg 放ω ωωtg tg '=Γ ∴02.0918.0==ωtgDytg =ω ∴mm Dtg y 502.0*250===ω ∴mm y 102= 方法二：18.0='ωtg mm tg y 45*250='='ωmml 200-='mm fe 250='mm l 2.22-=yy l l X'==='=92.22200β mm y 102=③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'='f ll'=-'11125112001=--l mm l 22.22-=3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x 3-=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='。
（1）求显微镜的视觉放大率。
（2）求出射光瞳直径。
（3）求出射光瞳距离（镜目距）。
（4）斜入射照明时，m μλ55.0=，求显微镜的分辨率。
（5）求物镜的通光孔径。
（6）射物高mm y 62=，渐晕系数%50=k ，求目镜的通光孔径。
已知：显微物镜 X 3-=β 1.0=NA 共轭距mm L 180=物镜框为孔径光阑mm f e 25='① X ee f 1025250250=='=Γ X e 30*-=Γ=Γβ② mm NA D 67.1301.0*500500==Γ='③孔由物镜成象关系:⎪⎩⎪⎨⎧='+--='=180)(3l l l l β⎩⎨⎧='-=mm l mm l 13545mm f l l e Z 160)(-='+'-=e Z Zf l l '=-'111 16012511-='Zl mm l Z 62.29=' ④道威判断m m NAμμλσ75.21.055.0*5.05.0===⑤目镜的 185.016062.29-=-='=Z Zl l 目βmm D 02.9185.067.1==⑥mm y 62= 322='=yy βmm y 182=' %50=K 时ω''=tg l D Z *2目 36.0*62.29*2= mm33.21=4．欲分辨mm 000725.0的微小物体，使用波长mm 00055.0=λ，斜入射照明，问：（1） 显微镜的视觉放大率最小应多大？ （2） 数值孔径应取多少适合？视场光阑决定了物面大小，而物面又决定了照明 的大小5.有一生物显微镜，物镜数值孔径5.0=NA ，物体大小mm y 4.02=，照明灯丝面积1.2×1.22mm ,灯丝到物面的距离100mm ,采用临界照明,求聚光镜焦距和通光孔径。
已知 5.0=NA 4.02=y 灯丝面积 1.2×1.22mm 灯丝到物面的距离100mm 临界照明求: 聚f ' 和通光孔径. 解:⎪⎪⎨⎧='+-'=-=-=100)(312.14.0l l l l β⎩⎨⎧='-=mm l mm l 2575f l l '=-'111 ∴mm f 75.18='聚u n NA sin =∴5.0sin =u ︒=30umm tg tg l D 86.2830*25*230**2=='=︒︒AB l -l 'u u聚 物6．为看清4km 处相隔150mm 的两个点（设rad 0003.01='），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mm L 100=，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； （5）视度调节在D 5±（屈光度），求目镜的移动量； （6）若物方视场角︒=82ω求象方视场角； (7)渐晕系数%50=K ，求目镜的通光孔径。
已知：m l 4000-= mm 150=σ 解： ① 510*75.31000*1000*4150-==mmmmϕ（rad ）有效放大率 810*75.30003.0065==''=Γ-ϕ 工作放大率 X 24~16=Γ② ⎪⎩⎪⎨⎧=''=Γ==-+'8100)(e o e o f f mm L f f⎪⎩⎪⎨⎧='='mm f mmf e o 11.1189.88③100-=Z l 11.11='e f 求 'Z le Z Zf l l'=-'111100111.1111-='Z l mm l Z5.12=' ④3.2D=Γ mm D 4.188*3.2== ⑤对于 D R 5+= mm l R 200= )11.11(1∆+-=l115.2122005.12∆-=∆-+='l 代入公式 e f ll'=-'111 整理得： 04.12339.201121=+∆-∆ ∴62.01=∆mm对于 D R 5-= mm l R 200-=75.18)5.12200(/-=--=l'=-'e f ll 111mm l 488.10-=mm 62.0488.1011.112=-=∆⑥ ωωγtg tg '==Γ5594.04*8=='︒tg tg ω︒='44.582ω ⑦5.0=Kmm tg l D Z 985.135594.0*5.12*2**2==''=ω目 7.一开普勒望远镜,五经焦距mmf 2000=',目镜的焦距为mm f e 25=',物方视场角︒=82ω,渐晕系数%50=K ,为了使目镜通光孔径mm D 7.23=,在物镜后焦平面上放一场镜,试: (1)求场镜焦距;(2)若该场镜是平面在前的平凸薄透镜,折射率5.1=n ,求其球面的曲率半径。
① )11(*-=tg l h Ztg tg f o 4*2004*='=︒︒ 目D f l h l e Z *5.0'-'='mm l 1.164='f ll '=-'111 20011.16411+='场f∴mm f 14.9='场②011.014.90121==+=ϕϕϕ ∞=1r 01=ϕ孔阑011.02=ϕrnn l n l n -'=-'' 其中∞=l 14.90='l 5.1=n 1='n代入求得：r 5.115.114.901-=∞- mm r 45-=9．一个照明器由灯泡和聚光镜组成，已知聚光镜焦距mm f 400='，通光孔径mm D 200=，要求照明距离为5m 远直径为3m 的圆，试问灯泡应安装在什么位置。
已知：3m 直径光照明 求 l 解：1500100l l '-='- mm l 14.357-=' f l l '=-'111 4001114.3571=--l mm l 679.188-=11.用电视摄象机监视天空中的目标，设目标的光亮度为2/2500m cd ，光学系统的透过滤为0.6，摄象管靶面要求照度为lx20，求摄影物镜应用多大的光圈。
解：14．开普勒望远镜的筒长255mm，X8-=Γ，︒=62ω，mmD5='，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mmf75='，求新的出瞳距和目镜的通光孔径；（4）目镜的视度调节在D4±（屈光度），求目镜的移动量。
ω-孔阑出瞳)(FF'ihω'x y①⎪⎩⎪⎨⎧='+'-=''-=Γ2258目物目物f f f f 解得 ⎩⎨⎧='='mm f mm f 25200目物②mm D D 4058=⨯='Γ=物 mm D tg D 6.28)22252='+⨯=ω（目 mm tg tg f h i48.103200*=⨯='=︒ω物由三角形相似得：⎪⎩⎪⎨⎧=+=20020y x y h x i⎩⎨⎧==mm y mmx 77.6823.131 有大三角形相似得：目目f y D x '+=2202577.68223.13120+=目Dmm D 58.28=目225-=P mm f 25='目目f P P '=-'111 mm P 125.28='③77.68-=-=y l A场f l l A A'=-'11175177.6811=+'Al mm l A 889.827-='∴ 0126587.0889.82748.10=='=Ai l h tg ϕmm tg f l D A 59.210126587.0)25889.827(22=⨯+⨯='+'-⨯=ϕ）（目目 物镜经场镜成像 751200111=+'l mm l 1201=' 经目镜成像 mm l 9525145.542=-=2519511=-'Zl mm l P 79.192='='④mm f x e 5.2100025410004±=⨯±='±= 15．一透镜焦距mm f 30'=，如在其前边放置一个x 6-=Γ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。