(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系统
应用光学第三章
（6）双眼观察仪器
上节讲到，当用双眼观察外界景物时，能够产生明显的远近感觉，这种感觉称为 双眼立体视觉，简称为体视。如果使用单眼望远镜或单眼显傲镜观察时，就不能产 生体视，因而也就影响观察效果。为了在使用仪器观察时仍能保持住入眼的体视能 力，所以必须采用双眼仪器，如双眼望远镜”和“双目显微镜”。
当使用双眼仪器时，人眼的体视能力不仅可以保持，而且还可以 得到提高。由上节知道，人眼能否分辨出两个物点A和B的远近，取 决于此二物点对应的视差角之差（ αA—αB ），如图3—19所示。假 定人眼直接观察某一物体时对应的视差角为α眼，当使用仪器观察时 对应的视差角为α仪，二者之比称为双眼仪器的体视放大率，用∏表 示
但第一个要求，扩大视角达到了吗？
tg 仪
y; f`
tg 眼
y; l
tg 仪 l 250 tg 眼 f ` f `
放大镜受通光孔径限制不能将焦距做得太短，所 以放大率一般不超过15倍
（2）显微镜的工作原理
• 为满足人们对细小物体观察要求，人们想到了多 级放大：先用一组透镜将细小物，成像到放大镜 焦平面上，再用放大镜观察，就可观察细小物体 了。
（1）放大镜的工作原理
• 放大镜是用来近 距离观察微小物 体的。人眼能够 分辨的物体大小y 与物距l间的满足 以下关系：
y 0.003 l
• 这样要观察微小 物体，就要将物 体拉近眼。但人 眼的调节范围有 限，不可能无限 拉近，所用眼直 接观察物时，物 不可能太小。
这样在人眼与物间放一透镜，使物刚好在透镜的 物方焦平面上，这样经过透镜的物成像在无穷远 处。这样满足了目视光学系统的第二个要求。
（3）、人眼的分 辨率
y` ftg
y`
0.006
北理应用光学=习题
一个清晰的像。证明透镜的焦距为
。
• 有一个用于红外系统的球形浸没透镜，物空间为空气，折射率为
1.5 ，它将物体成像在后表面与球心的 1 / 2 处，证明此时的垂轴
放大率为 1/2 。
• 由两个正的薄透镜组成的系统，若物体位在第一个透镜的物方焦平
面处，证明此时像与物的垂轴放大率为第二个透镜与第一个透镜焦距
• 设有一个投影物镜，采用 100W 的灯泡照明，灯泡的光视效能为 20 lm/W, 发光体直径为 4 毫米 、各方向均匀发光的球形灯丝，要求银 幕的光照度为 60 lx ，银幕离开投影仪的距离为 10 米 ，投影仪片 门宽为 20 毫米 ，整个系统的透过率 τ ＝ 0.6 ，求投影物镜的焦 距和相对孔径。 • 有一对称照相物镜，相对孔径为 1:5 ，每亿半焦距为 200 毫米 ， 两透镜组相距 20 毫米 ，在透镜组中央有一个孔径光阑。在物镜前 方 400 毫米 处有一个垂直光轴的物体，其光亮度为 500 cd/m 2 。 如果不考虑系统的光能损失，求像平面光照度。当物体位于无限远时， 像平面光照度又为多少？
微小物体通过显微物镜的像距硅靶的距离为 210 毫距 及离硅靶的距离。（ 15 分）
• 思考题：为什么望远镜系统中成像光束的选择非常重要？ • 在设计一个光学系统时，应如何考虑选择孔径光阑和视场光阑？ • 怎样表示显微镜物镜的成像光束大小和成像范围大小？望远镜中 是怎样表示的？ • 一般用显微镜的孔径光阑选在什么地方？测量用显微镜的孔径光 阑选在什么地方？为什么？ 第六章 : 辐射度学和光度学基础 ( 理论学时： 8 学时 ) • 讨论题：光通量和辐射通量有什么区别？ • 讨论题：发光强度、光照度以及光亮度分别代表什么含义？ • 思考题：什么叫发光点？什么叫发光面？如何表示人眼对发光点和 发光面的主观光亮度？ • 一般钨丝白炽灯各方向的平均发光强度（ cd ）大约和灯泡的辐射 功率（ W ）相等，问灯泡的发光效能为多大？ • 有一直径 20 厘米 的球形磨砂灯泡，各方向均匀发光，其光视效 能为 15 lm/W ，若在灯泡正下方 2 米 处的光照度为 30 lx ，问该 灯泡的功率为多大？灯泡的光亮度多大？ • 用一个 250W 的溴钨灯作为 16 毫米 电影放映机的光源，光源的 光视效能为 30 lm/W ，灯丝的外形面积为 5 × 7mm 2 ，可以近似 看作一个两面发光的发光面，采用第一种照明方式。灯泡的后面加有 球面反光镜，使灯丝的平均光亮度提高 50 % ，银幕宽度为 4 米 ， 放映物镜的相对孔径为 1 ： 1.8 ，系统的透过率 τ ＝ 0.6 ，求 银幕光照度（ 16 毫米 放映机的片门尺寸为 10 × 7mm 2 ）。
应用光学第3章 理想光学系统
nytgU nytgU (10)
此式即为理想光学系统 的拉赫不变量公式。
3.5 理想光学系统的放大率
一、垂轴放大率
1.定义：共轭面像高与物高之比
y
y
2.表达式：
根据牛顿公式,得以焦点为原点的放大率公式
y f x (1)
y x f
根据高斯公式,得以主点为原点的放大率公式
fl (2)
f l
根据两焦距的关系，可得 nl (3)
nl
结论：此式与单个折射球面和共轴球面系统的放 大率公式一致。
④当系统处于同一种介质中时
l (4)
l
结论：垂轴放大率随物体位置不同而不同，在不同 共轭面上，垂轴放大率不同；在同一共轭面上， 放大率是一个常数。
二、轴向放大率
1.定义：轴上像点移动微小距离与物点移动的微小 距离之比。 dl dx dl dx
三、由已知共轭面和共轭点确定一切物点的像点 a.已知两对共轭面的位置和垂轴放大率
b.已知一对共轭面的位置和垂轴放大率以及两对共轭 点的位置
3.2理想光学系统的基点和基面
1.物像方焦点、焦平面 2.物像方主点、主平面， 3.物象方焦距 4.单个折射球面的主平面 5.单个折射球面的焦距 6.单个球面反射镜的主平面和焦距
像距：以像方焦点F为原点,到像点的距离(F'A')为像 距,用x’表示。
牛顿公式：
用f和f ' 表示理想光学系统物、象方焦距，用
x和x'表示物体和像位置。
三角形ABF和三角形MHF相似，得：
y f
yx
三角形A’B’F’和三角形H’N’F’相似，得：
y x
y f xx ff
————此式即为牛顿公式。
(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 眼睛和目视光学系统
1 y y'
可在望远镜前垂直光轴放置一有刻化的物体，测量像高的大小， 即可得视放大率。
2、 望远系统的种类
a.开普勒望远系统
可安装分划板，用于瞄准
开普勒望远系统应用－军用望远镜
b.伽利略望远系统
结构紧凑，筒长短，较为轻便，光能损失少，并且使 物体呈正立的像。但是由于没有中间实像，不能安装分划 板，因而不能用来瞄准和定位
双目镜筒 是通过加 反射棱镜 和平行平 板实现的
3、显微镜设计中的规定参数：
• 共轭距：显微镜物镜从物平面到像平面的距离，约 180mm
• 机械筒长：把显微镜的物镜和目镜取下后，所剩的镜筒 长度。（我国规定为160mm）
• 常用的物镜倍率：4x、 10x、 40x和100x • 常用的目镜倍率：5x、10x和15x
8.24"
8.24“扩大到60”，所以：
tg' tg
' ຫໍສະໝຸດ 60 8.247.3
例：经纬仪用望远镜的视放大率为20，使用夹线瞄准， 瞄准角误差等于多少？
tg' ' tg
' 10" 0.5"
20
像于此处，则看不到，该处称盲点。
2. 眼睛的成像：
• 眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光 圈的超级照相机
• 眼睛的物方和像方焦距不相等。f=-16.7mm f’=22.3mm
• 在调焦范围内，-f=14.2－17.1mm f’=18.9 －22.8mm
人眼--------照相机 水晶体--------镜头 网膜---------底片 瞳孔---------光阑
物镜的像再被目镜放大，其放大率为e = 250 fe ；
(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3章 理想光学系统 ppt课件
结论：反射球面的焦点位于球心和顶点的中间
球面反射镜的主平面：
nlH nlH
1 nlH
nlH
n n
结论：球面反射镜的物像方主平面重合，
lH
11 l l
lH
2 r
与球面顶点相切。
lH lH 0
ppt课件
21
3.3 理想光学系统的物像关系式
4.两种放大率之间的关系
fl
f l
fl′2 α = - f ′ l2
α = n′β2 ( 9 ) n
结论：理想光学系统的沿轴放大率恒为正值，物、 像移动方向相同。
ppt课件
35
三、角放大率
1.定义：共轭面的轴上点发出的入射光线通过 光学系统后，出射光线的像方孔径角的正切 值与入射光线的物方孔径角的正切值之比。
Q’
A1
Ek
Ak
F O1
H H’
Ok F’
主平面：垂轴放大率为β=+1的共轭面称为光学系统 的主平面，QH为物方主平面，Q’H’为像方主平 面。
注：除望远系统外，所有系统都有一对主平面。
光学系统总是包含一对主点（主平面），一对焦点
（焦平面），前者是一对共轭点（面），后者不是。
ppt课件
16
主要内容： 1.两焦距关系：讨论在同一介质中、光学系
统包括反射面情况； 2.物象关系公式拓展 3.拉赫不变量
ppt课件
26
一、两焦距之间的关系
1.两焦距关系
直角三角形AQH和A'Q'H'
(x f )tgU h (x f )tgU (1)
三角形ABF和三角形HMF相似，三角形A’B’F’和
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
2、瞳孔调节
• 虹膜可以自动瞳孔大小，以控制人眼的进光量
• 强光下，白天 D=2mm; 夜晚，D=8mm
• 设计光学仪器时，仪器的出射瞳孔要和人眼瞳孔大 小配合，白天使用的可以小些，夜晚使用的则要大 一些
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
2、近视眼的特点 • 近视眼像方焦点在视网膜前方，无限远物不能成
像在网膜上
•F ’
• 近视眼看不清无限远目标，看到的最远距离（远 点）是有限的，这个距离是近视眼视网膜的物方 共轭面；眼睛依靠调节只能看清远点以内的物体
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
• 近视程度用远点距离对应的视度表示
•直接观察：
•ω眼
•－y’眼 •π ’
•-y’眼=π’tgω眼
•用仪器观察：
• ω仪
•－y’仪 •π ’
•-y’仪=π’tgω仪
第三章眼睛的目视光学系统应用光学
•用仪器观察时网膜上的像高和人眼直接观察时 网膜上的像高之比表示了仪器的放大作用，称为 视角放大率，用Г 表示。
•2、成像在无限远（出射平行光）
• 放大镜工作原理
•只要物体对人眼的张角大于人眼的视角分辨率即 可看清楚
• 如果物体对人眼张角小于60”，人眼看不见， 则可以考虑借用仪器来观察。
• 1. 物体必须放在系统的物方焦平面处，使得 出射光为平行光。
• 2.从仪器出射的光线对人眼的张角必须大于人
眼直接观察时物体对人眼的张角，人眼直接观察
•例如：15倍的放大镜，焦距为16.6，假设双凸，则 两个半径为17毫米左右，若平凸，则半径为8.5毫米 左右。 为此，设计了显微镜，即复杂化的放大镜
眼睛的目视光学系统应用光学
眼睛的目视光学系统应用光学光学是研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射和吸收等现象的学科。
而眼睛是我们视觉系统的重要组成部分，在光学学科的基础上应用了一系列的光学原理和技术，形成了眼睛的目视光学系统。
光的传播和折射首先，让我们来了解一下光的传播和折射原理。
光是一种电磁波，它在空气、液体和固体之间传播时会发生折射现象。
光的传播速度在不同介质中是不同的，当光从一种介质传播到另一种介质时，它的传播速度会改变，导致光线的传播方向发生偏折。
这个偏折现象对于我们的眼睛来说非常重要。
眼睛的光学构造眼睛的光学构造包括角膜、瞳孔、晶状体和视网膜等部分。
角膜是我们眼睛的前窗口，它具有一个曲弯的表面，可以折射光线。
瞳孔是一个可收缩的孔洞，可以控制光线进入眼睛的数量。
晶状体是位于瞳孔后面的一个透明组织，可以通过改变其形状来对光线进行进一步的聚焦。
视网膜是我们眼睛的后窗口，可以对光线进行感光。
眼睛的屈光系统眼睛的光学系统由角膜、晶状体和视网膜组成，它们构成了眼睛的屈光系统。
眼睛的屈光系统主要负责将进入眼睛的光线进行折射和聚焦，使其能够清晰地投影在视网膜上。
角膜的屈光作用角膜是眼睛的前窗口，它作为光线的第一个折射界面起到了很重要的作用。
由于角膜的曲率并非均匀，不同位置的角膜对光线的折射能力也有所不同。
角膜的屈光作用对眼球的总屈光度起到了决定性的影响。
晶状体的调焦作用晶状体是眼睛的主要调焦器官，它可以改变自身的形状来调节眼镜的焦距。
通过晶状体的调焦作用，眼睛可以实现对不同距离的物体进行清晰的视觉焦点调节。
眼球的像的成像原理当光线通过眼睛的屈光系统后，它会在视网膜上形成一个倒立的实像。
这个实像是通过眼球的光学元件对光线进行折射和聚焦产生的。
视网膜上的感光细胞会将光信号转化为神经信号，并通过视神经传递到大脑进行处理和解读。
眼睛的调节机制人眼除了具有通过改变晶状体形状进行调焦的功能外，还具有调节瞳孔直径的能力。
当环境光线较暗时，瞳孔会扩大以增加进入眼睛的光线数量，提高光的敏感度；当环境光线较亮时，瞳孔会收缩以减少进入眼睛的光线数量，保护视网膜不受强光的损伤。
眼睛及目视光学系统
眼睛及目视光学系统简介眼睛是人类最重要的感觉器官之一，它负责接收光线并将其转化为神经信号，让我们能够看到周围的世界。
而目视光学系统则是由多个部分组成的复杂系统，包括角膜、水晶状体、玻璃体等等，它们共同协作完成光线的折射和聚焦，使我们能够清晰地看到物体。
本文将介绍眼睛及目视光学系统的结构和功能，以及一些与视力相关的常见问题和疾病。
眼睛结构角膜和巩膜眼睛的前表面由透明薄膜组成，这就是角膜。
角膜负责让光线通过并折射到眼睛中。
而巩膜则是覆盖在眼球表面的一层坚韧的结缔组织，保护眼睛免受外界伤害。
虹膜和瞳孔虹膜是位于角膜和晶状体之间的有色隔膜，它决定了我们的眼睛的颜色。
而瞳孔则是位于虹膜中央的孔洞，它的大小能够调节光线的进入量。
晶状体和睫状体晶状体是位于眼球内部的透明结构，它能够改变自身的形状，并且通过对光线的折射来进行聚焦。
与晶状体相连的是睫状体，它通过张力的调节来控制晶状体的形状，从而实现对不同距离物体的聚焦。
玻璃体玻璃体是填充在眼球后部的透明胶状物质，它保持了眼球的形状并且帮助光线继续聚焦在视网膜上。
视网膜视网膜位于眼球的后部，是感光细胞的聚集区域。
当光线聚焦在视网膜上时，感光细胞会转化为神经信号，并通过视神经传递到大脑，我们才能够看到物体。
目视光学原理眼睛的视觉功能是通过一系列的光学过程来实现的。
当光线进入眼睛时，它首先经过角膜的折射，然后通过晶状体的调节来进一步聚焦。
最后，光线聚焦到视网膜上的感光细胞上，形成清晰的图像。
角膜的折射角膜是眼睛中最前面的透明薄膜，具有强烈的折射能力。
当光线从空气中进入角膜时，它会被角膜的曲率所改变，并在进入眼球后继续向晶状体传播。
晶状体的调节晶状体是眼睛中的一个透明结构，它具有可以改变形状的能力。
这一调节能力使得晶状体能够根据物体的远近来改变其折射力，从而实现对光线的聚焦。
调节失调与屈光度调节失调是指晶状体无法有效调节，导致眼睛无法聚焦到远近不同的物体上。
屈光度是用来度量眼睛对光的折射能力的单位，调节失调常常与屈光度有关。
应用光学习题
应用光学习题、第一章 : 几何光学基本原理 ( 理论学时: 4 学时 )•讨论题:几何光学与物理光学有什么区别？它们研究什么内容？•思考题:汽车驾驶室两侧与马路转弯处安装的反光镜为什么要做成凸面,而不做成平面？•一束光由玻璃( n=1、5 )进入水( n=1、33 ),若以45 ° 角入射,试求折射角。
•证明光线通过二表面平行的玻璃板时,出射光线与入射光线永远平行。
•为了从坦克内部观察外界目标,需要在坦克壁上开一个孔。
假定坦克壁厚为 200mm ,孔宽为 120mm ,在孔内部安装一块折射率为 n=1、5163 的玻璃,厚度与装甲厚度相同,问在允许观察者眼睛左右移动的条件下,能瞧到外界多大的角度范围？•一个等边三角棱镜,若入射光线与出射光线对棱镜对称,出射光线对入射光线的偏转角为40 °,求该棱镜材料的折射率。
•构成透镜的两表面的球心相互重合的透镜称为同心透镜,同心透镜对光束起发散作用还就是会聚作用？•共轴理想光学系统具有哪些成像性质？第二章 : 共轴球面系统的物像关系 ( 理论学时: 10 学时,实验学时: 2 学时 )•讨论题:对于一个共轴理想光学系统,如果物平面倾斜于光轴,问其像的几何形状就是否与物相似？为什么？•思考题:符合规则有什么用处？为什么应用光学要定义符合规则？•有一放映机,使用一个凹面反光镜进行聚光照明,光源经过反光镜以后成像在投影物平面上。
光源高为10mm ,投影物高为 40mm ,要求光源像高等于物高,反光镜离投影物平面距离为 600mm ,求该反光镜的曲率半径等于多少？•试用作图法求位于凹的反光镜前的物体所成的像。
物体分别位于球心之外,球心与焦点之间,焦点与球面顶点之间三个不同的位置。
•试用作图法对位于空气中的正透镜( )分别对下列物距:求像平面位置。
•试用作图法对位于空气中的负透镜( )分别对下列物距:求像平面位置。
•已知照相物镜的焦距毫米,被摄景物位于距离米处,试求照相底片应放在离物镜的像方焦面多远的地方？•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。
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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金陵科技学院材料工程学院
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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金陵科技学院视光学技术学院
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)
北京理工应用光学习题【精选】
第一章 : 几何光学基本原理 ( 理论学时： 4 学时 )•讨论题：几何光学和物理光学有什么区别？它们研究什么内容？•思考题：汽车驾驶室两侧和马路转弯处安装的反光镜为什么要做成凸面，而不做成平面？•一束光由玻璃（ n=1.5 ）进入水（ n=1.33 ），若以45 ° 角入射，试求折射角。
•证明光线通过二表面平行的玻璃板时，出射光线与入射光线永远平行。
•为了从坦克内部观察外界目标，需要在坦克壁上开一个孔。
假定坦克壁厚为 200mm ，孔宽为 120mm ，在孔内部安装一块折射率为 n=1.5163 的玻璃，厚度与装甲厚度相同，问在允许观察者眼睛左右移动的条件下，能看到外界多大的角度范围？•一个等边三角棱镜，若入射光线和出射光线对棱镜对称，出射光线对入射光线的偏转角为40 °，求该棱镜材料的折射率。
•构成透镜的两表面的球心相互重合的透镜称为同心透镜，同心透镜对光束起发散作用还是会聚作用？•共轴理想光学系统具有哪些成像性质？第二章 : 共轴球面系统的物像关系 ( 理论学时： 10 学时，实验学时： 2 学时 )•讨论题：对于一个共轴理想光学系统，如果物平面倾斜于光轴，问其像的几何形状是否与物相似？为什么？•思考题：符合规则有什么用处？为什么应用光学要定义符合规则？•有一放映机，使用一个凹面反光镜进行聚光照明，光源经过反光镜以后成像在投影物平面上。
光源高为10mm ，投影物高为 40mm ，要求光源像高等于物高，反光镜离投影物平面距离为 600mm ，求该反光镜的曲率半径等于多少？•试用作图法求位于凹的反光镜前的物体所成的像。
物体分别位于球心之外，球心和焦点之间，焦点和球面顶点之间三个不同的位置。
•试用作图法对位于空气中的正透镜（）分别对下列物距：求像平面位置。
•试用作图法对位于空气中的负透镜（）分别对下列物距：求像平面位置。
•已知照相物镜的焦距毫米，被摄景物位于距离米处，试求照相底片应放在离物镜的像方焦面多远的地方？•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。
应用光学第三章 眼睛和目视光学系统
距离称为近点距离。 ✓ 远点距离：人眼能看清的最远距离。 ✓ 最大调节范围：远点距离与近点距离之间的视
度之差。
二 人眼的调节 -- 视度调节
例：20岁的正常人眼 ✓ 明视距离：250mm，SD = -4。 ✓ 最大调节范围：-10
设计实例：只有两块5倍的，要求设计10倍 的。
将这两块合成:
1 f '合
＝合＝1＋2
d12
当d 0，f '合＝25
＝10
d取不同值时，两块搭成不同的倍率的放大镜
二、显微镜（microscope）的工作原理
显微镜由物镜和目镜组成，用以观察更微细物体
显微镜的工作原理 – 两级放大
成像过程：
物体首先经过显微物镜并在目镜的物方焦平面上形成 一个放大的实像；
等于同一目标用仪器观察时的视角和人眼直接 观察时的视角二者的正切之比，所以称为仪器 的视放大率。
一、放大镜（magnifier）的工作原理
放大镜用来观察近距离微小物体。
物在物方焦点，出射的是平行光束。
人眼直接观察
设一微小物体其高为y，用肉眼直接观察时不能离 眼太近，放在l = -250mm处。此时，视角为：
3-5 空间深度感觉和双眼立体视觉
当观察外界物体时，除了能够知道物体的
大小、 、亮暗以及表面 以外，
还能够产生 的感觉。这种远近的感 觉称为空间深度感觉。
单眼空间深度感觉
当物体的高度已知时，根据它对应的视角大小 来判断它的远近；
根据物体之间的遮蔽关系和日光的阴影也能判 断物体之间的相对位置；
设计实例：放大镜（n＝1.5） 已知＝5， 求r1、r2；若＝10，求r1、r2
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。
应用光学教学课件ppt作者刘晨第3章理想光学系统
应用光学第3章 理想光学系统3.1 理想光学系统的概念及性质3.2 理想光学系统的基点和基面、焦距3.3 理想光学系统的成像3.4 理想光学系统的组合3.5 透镜3.1 理想光学系统的概念及性质3.1.1 理想光学系统的概念3.1.2 理想光学系统的性质实际的光学系统要求用一定宽度的光束、对一定大小的范围成像。
在估计其成像质量时，需利用理想光学系统成像的概念。
如果光学系统对任意大的范围，以任意大的光束成像都是完善的，这样的光学系统便定义为理想光学系统。
1)物空间的每一点对应于像空间中的一点，且只有唯一的一点与之相对应，这两个对应点称为物像空间的共轭点。
2)物空间中的每一条直线对应于像空间中的一条直线，且只有唯一的一条直线与之相对应，这两条对应直线称为物像空间的共轭线。
3)物空间的任意一点位于直线上，那么其在像空间内的共轭点也必位于该直线的共轭线上。
4)物空间中的任一平面对应于像空间中的一个平面，且只有唯一的一个平面与之相对应，这两个对应平面称为物像空间的共轭面。
3.2 理想光学系统的基点和基面、焦距3.2.1 焦点、焦平面3.2.2 主点和主平面3.2.3 焦距3.2.4 节点和节平面图3-1 基点和基面图3-2 无限远轴外点和物方焦平面上点发出的光束a)无限远轴外点发出的光束 b)物方焦平面上点发出的光束如图3-1所示，延长入射光线A1E1和出射光线GkF′得交点Q′，同样延长光线A′kEk及物方的共轭光线G1F交于Q点。
根据光路的可逆性，物方光线FG1入射于光学系统后，其像方光线必沿E kA′k出射，物方光线A1E1入射于光学系统后，其像方光线必沿GkF′方向出射，显然Q和Q′是一对共轭点，分别过Q和Q′作垂直于光轴的平面QH、Q′H′交光轴于H点和H′点，此两平面同样也是共轭的。
由图可知QH=Q′H′=h，故其放大率β=+1，称这对放大率为+1的共轭面为主平面，QH称为物方主平面(前主面或第一主面)，Q′H′称为像方主平面(后主面或第二主面)。
应用光学第三章 眼睛和目视光学系统
一、放大镜（magnifier）的工作原理
放大镜用来观察近距离微小物体。
物在物方焦点，出射的是平行光束。
人眼直接观察
设一微小物体其高为y，用肉眼直接观察时不能离 眼太近，放在l = -250mm处。此时，视角为：
tan 仪 tan眼
tan1' 4 106
0.0003 4 106
75
3-3 望远镜（telescope）的工作原理
望远镜用来观察无限远的物体
物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，即光学间隔Δ= 0。
望远镜的视角放大
1. 不用望远镜时，远物对人眼的张角：
眼
2. 通过望远镜后，像对人眼的张角' ：
标放在眼前250mm处，此距离为明视距离。 ✓ 近点距离：人眼通过调节所能看清物体的最短
距离称为近点距离。 ✓ 远点距离：人眼能看清的最远距离。 ✓ 最大调节范围：远点距离与近点距离之间的视
度之差。
二 人眼的调节 -- 视度调节
例：20岁的正常人眼 ✓ 明视距离：250mm，SD = -4。 ✓ 最大调节范围：-10
开普勒望远镜（ fe’ > 0， < 0）
优点：物镜与目镜之间有中间实像，可以安装分划板， 便于瞄准和测量。
缺点：正立的物体成倒像，不方便观察。需加入倒像 系统。
伽利略望远镜（ fe’ < 0， > 0）
优点：正像 缺点：无法安装分划板；另视觉放大率受到物镜口径
的限制，不可能很大，一般在2-3倍。
再经过目镜成像在无限远。
两级放大：
第一级：显微物镜将被观察物体进行尺寸放大； 第二级：靠近眼睛的目镜扩大视角
工程光学设计 第3章 眼睛和目视光学系统.ppt
年龄 10 20 30 40 50 60 70 80
lp -7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40 (cm)
lr ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 200 80 40 (cm) (dpt) 14 10 7 4.5 2.5 1 0.25 0
直接观察物体时对人眼的张角。
ω眼
-y’
ω仪
-y’
2、视觉放大率：
Г＝y'i /y'e
设人眼后节点到网膜的距离为l'，上式又可写作
二、放大镜的工作原理
ω仪
-y’
讨论: 1）当眼睛调焦在无限远，即l'＝∞时，物体放在放
大镜的前焦点上，则有G0＝D/f '＝250/f ' 2）正常视力的眼睛一般把像调焦在明视距离D，则
三、眼睛的分辨率
1、眼的分辨能力：眼能够分辨最靠近两相邻点的 能力称为眼的分辨能力，或视觉敏锐度。 2、视角：物体对人眼的张角称作视角。
3、视角分辨率ω 或ε
ω
-y’
在眼睛没有调节的松弛状态下，f '≈23mm，ε≈60″。
§3.2 放大镜和显微镜的工作原理
一、视觉放大率
1、目视光学仪器的基本工作原理： 物体通过仪器，其像对人眼的张角大于人眼
一、工作原理（伽利略望远镜）
二、望远系统的参数（视角放大率）
Г＝－f '0/f 'e＝－D/D' Г＝1/β
其它形式的望远系统： 加入棱镜转像系统的军用望远镜
§3.4 眼睛的调节
1、非正常眼及其校正
①正常眼和反常眼： 正常眼：眼睛的远点在无限远，眼睛光学系统的后
眼睛的目视光学系统应用光学
1 2
科学实验
在科学实验中，目视光学系统可以帮助学生更好 地观察实验现象和结果，加深对科学原理的理解 。
远程教育
通过目视光学系统，远程教育可以实现高质量的 视频传输和实时互动，提高教学效果。
3
虚拟现实
目视光学系统在虚拟现实技术中也有广泛应用， 为学生提供沉浸式的虚拟学习环境。
CHAPTER 03
目视光学系统的关键技术
人机交互
总结词
人机交互是目视光学系统中不可或缺的一环，它直接影响到用户的使用体验和系统效能。
详细描述
人机交互设计需要考虑用户界面的友好性、操作简便性和舒适性。此外，还需要关注适应性和个性化需求，以满 足不同用户群体的使用习惯和需求。通过优化人机交互设计，可以提高系统的易用性和用户满意度。
CHAPTER 04
目视光学系统的未来发展
新型材料的应用
总结词
新型材料在目视光学系统中的应用将有助于提高系统的性能和稳定性。
详细描述
随着科技的不断发展，新型材料如超材料、纳米材料等在目视光学系统中的应用越来越广泛。这些新 型材料具有优异的光学性能、轻量化和高稳定性等特点，能够提高目视光学系统的成像质量、减少系 统重量和提高抗干扰能力等。
人机交互的优化
总结词
人机交互的优化将提高目视光学系统的易用 性和用户体验。
详细描述
人机交互是目视光学系统的重要组成部分， 其优劣直接影响到用户的使用体验。随着人 机交互技术的不断发展，目视光学系统的人 机交互界面将更加人性化、直观和易用，提 高用户的使用效率和舒适度。同时，新型人 机交互方式如语音控制、手势控制等的引入
智能技术的应用
要点一
总结词
智能技术在目视光学系统中的应用将实现系统的自动化和 智能化。
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按此判据，即可确定光学系统的分辨本领。
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
人眼的视角分辨率为ω″,如果远距离两目标对人眼的张角 小于ω″,它们的像不能落在网膜不相邻的细胞上,就分不清是一 个点还是两个点。
设想,如果先用一个光学仪器对两目标成像,使它们的两像 点对人眼的张角大于ω〃,人眼看清这两个像点,也就是看得清 两目标了。
角膜, 前室和水晶体可以看作镜头的一个组成部分.
虹膜: 水晶体和前室之间的隔膜. 其中心有一圆孔,为瞳 孔,限制进入眼睛的光能量, 作为相机中的可调光圈.
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
后室: 水晶体后面的空间，后室中充满蛋白状的玻璃液，折射率为1.336。 视网膜: 视神经细胞和神经纤维组成，作为感光底片。
所以
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统 对线分辨率: 一直线的像刺激着一系列视神经细胞,而另一直线的 像又刺激着旁边另一列视神经细胞,所以眼睛能够敏锐地感觉到 它们之间的位移,这时的分辨率可以提高到 10”
一些测量仪器都采取这种类型的对准方 式来提高测量精度.
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
1 0.8
r暗1
瑞利指出：这种合成的衍射图样还是可以看出是由两个发光点构成的。
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
从图中可看出，两个爱里斑的中心 距正好是艾里斑的半径。
瑞利就以艾里斑半径或衍射图样
的第一暗环半径（r暗1）作为 光
学系统能对无限远两点的像分辨
得开的最小距离称之为瑞利判据；
1 0.8
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
2. 瞳孔调节
外界物体的亮度是随着物体种类/天气和时间不断变化着的.
• 虹膜可以自动调节瞳孔的大小,来控制眼睛的进光量。 • 强光下,白天, D=2mm;
夜晚, D=8mm • 当设计目视光学仪器时, 仪器的出射瞳孔要和人眼的瞳孔大小相
配合；白天使用的出射瞳孔可以小些; 晚上使用的则要大些。
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统 人眼的视觉特征
视轴: 黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线. 人眼的视场: 人眼的视场可以达到 150 度. 如果头保持不动, 我们只能看清视轴中心附近6º－8º的范围. 为了看到更大的范围,可以自由旋转眼球,头也动.
应用光学（第四版、显微镜、望远镜
• 1.放大镜 • 2.显微镜 • 3.望远镜
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
1. 理想光学系统的分辨率
无穷远自身发光的物点，在焦平面上所成的像不是几何点，而是一个 由一系列光环组成的衍射图样。
应用光学（第四版）
中央亮斑称为艾里斑
3 人眼及其光学系统 中央亮斑的直径
眼睛的调节:视度调节 和瞳孔调节 1. 视度调节（主要是水晶体调节）
定义:随着物体距离的改变,人眼自动改变焦距,使像落在视网膜上的过程. 调节量的表示: 视度SD
l 的符合规则和理想光学系统一致
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
黄斑: 视网膜上视觉最敏感的区域. 视网膜和黄斑可看作是照相机的感光部分. 脉络膜:视网膜后面包裹的一层黑色膜，
吸收透过网膜的光线。 盲点: 视神经纤维在眼睛的出口, 没有 感光细胞, 不能形成视觉.
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
视觉的产生
外部光线进入人眼 在视网膜上形成一个像, 通过视神经 细胞产生了一个视觉信号刺激 通过视神经传输到大脑. 最后经过高级神经活动形成视觉. 这个过程包括物理学/生理学和心理学. 成倒像
3 人眼及其光学系统
(应用光学)第三章.眼睛及目视光学系 统
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
角膜: 角质构成的透明球面薄膜,入射光线首先通过角膜
前室: 角膜后的空间,充满透明的 n=1.3374的水状液, 会聚光线.
水晶体: 双凸透镜, 通过其周围肌肉的 调节可以改变其前表面的曲率半径, 从而使眼睛的有效焦距发生改变.
λ——光的波长 n'——像空间介质折射率
U‘max——光束的会聚角
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的艾 里斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分。 这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
当相邻两点的间隔，正好使一个 衍射图样中的艾里斑中心和另一 个图样的第一暗环重合时，两个 衍射图样的光强分布曲线相加而 得到的合成光强分布曲线，两个 极大值之间存在的一个极小值， 能量约为极大值的80%。
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
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（第四版）
3 人眼及其光学系统 眼睛的视觉灵敏度 两个物点的视觉灵敏度： 假设有两个物点成像在视网膜上. 如果这两个像点之间的间距足 够大, 就认为是可以用肉眼分辨的, 当间距很小时, 人眼就有可能 分辨不开.
为什么？
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统 视网膜的结构
视网膜是由视神经细胞构成, 这里包括视锥细胞和视杆细胞 视锥细胞: 在强光条件下工作，视锥细胞主司昼光觉，有色觉，光敏感性差， 但视敏度高。 视杆细胞: 在弱光情况下工作，能感受弱光。 如果两个像点之间的距离大于视神经细胞直径的两倍,或者这两个像点分别位 于两个不相邻的两个细胞上时, 这两个像点就可以被分辨.
y’
应用光学（第四版）
3 人眼及其光学系统
视神经细胞直径约为 0.001-0.003mm, 一般取 0.006mm 作为眼睛的 分辨率,这是人眼视网膜上可以分辨的最短距离。 通常用这段距离在物空间对应的张角 ω 来表示, 称为视角分辨率.
y' f tg
y'min=-0.006 mm，f=-23 mm