典型光学系统设计 PPT课件
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第八章 典型光学系统 应用光学教学课件
D/f物 称为物镜的相对孔径。
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。
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。
课件工程光学-08典型光学系统.ppt
1.0
0.8
光谱光效率
为什么暗环境下能
0.6
做饭、洗衣，但不
0.4
能描龙绣凤？
0.2
2024/10/8
0.0 400 500 600 700 800
l(nm)
光谱光效率函数曲线
第七章 光度学基础
7
§8.1.5 眼睛的分辨率
眼睛刚能分辨开二个很靠近点的能力称为眼睛的分辨率。 二者成反 比
刚能分辨的二个点对眼睛物方节点的张角称为极限分辨角。
瞄准精度和前面讲到的分辨率是不是一个概念？
瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。
二实线重合 60
2024/10/8
二直线端部对准 叉线对准单线
（10～20）
10
第七章 光度学基础
双线对称夹单线 （5～10）
9
§8.1.7 眼睛的立体视觉
眼睛观察空间物体时，能区别它们的相对远近而具有立体视觉。简称体视。 C
若以50％渐晕点为界来决定线视场2 y
F
2 y 2B2F
f tanW2
f h d
250 f
2 y 500h d
W F
f 眼瞳
W3W2 W1 2a 2h
眼瞳
d
2024/10/8
第七章 光度学基础
14
讨论：
逢年过节，要买放大镜孝敬老人， 该如何选择其放大倍率？
2y h
2y 1
2y 1 d
（2）与照明光谱成份有关：单色光分辨率高（眼睛有色差）； （3）与视网膜上成像位置有关，黄斑处分辨率最高。
对眼睛张角小物体的要借助望远镜或显微镜等仪器，仪器 应有适当的放大率，使能被仪器分辨的也能被眼睛分辨。
典型光学系统-望远镜 -适用学生自己做课件讲义
这说明望远镜的视觉放大率等于其角放大率。
• 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
• 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
《光学系统CAD》课件
光学系统CAD的未来应用
光通信领域
随着5G、6G等通信技术的发展，光学系统CAD在光通信领域的应 用将更加广泛，涉及光器件设计、光波导结构优化等方面。
生物医疗领域
光学系统CAD在生物医疗领域的应用将逐渐增多，涉及光学成像、 光学生物传感器等方面。
智能驾驶领域
随着智能驾驶技术的发展，光学系统CAD在智能驾驶领域的应用将 更加重要，涉及车载摄像头、激光雷达等方面。
VS
光学系统CAD通过建立数学模型和仿 真，对光学系统的性能进行预测和优 化。它能够大大提高设计效率，缩短 产品研发周期，降低研发成本，提高 产品质量。
光学系统CAD的重要性
光学系统CAD在现代光学产业中具有 举足轻重的地位。随着科技的不断进 步，光学系统的设计和制造变得越来 越复杂，对精度和性能的要求也越来 越高。
光学系统CAD的未来挑战
复杂光场模拟
随着光学系统的复杂度增加，如何准确模拟复杂光场成为 光学系统CAD面临的重要挑战。
高精度制造
随着光学元件的精度要求不断提高，如何实现高精度制造 成为光学系统CAD面临的挑战之一。
多学科交叉
光学系统CAD涉及多个学科领域，如何实现多学科的交叉 融合，提高设计的综合性能，是未来需要解决的问题。
05
光学系统CAD的未来展望
光学系统CAD的发展趋势
技术融合
随着光学、计算机科学和数学的交叉发展， 光学系统CAD将进一步融合多种技术，实现 更高效、精确的光学设计。
智能化
人工智能和机器学习在光学系统CAD中的应用将更 加广泛，实现自动化设计、优化和仿真，提高设计 效率。
云端化
光学系统CAD将逐渐向云端化发展，实现数 据共享、远程协作和实时更新，提高设计协 同性。
工程光学第七章典型光学系统
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
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
光学设计基础PPT课件
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P 3J
k i1
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精品课件
23
二、 从已有资料中选择初始结构的方法
随着计算机的发展和光学设计技术的提高， 人们已经设计出很多性能优良的各种光学系统， 并把这些资料载入技术档案和专利文献中。有些 光学设计手册也专门收集了有关设计资料。如能 从这些专利文献中选择一些光学特性与所设计的 物镜尽可能接近的结构做为初始结构，不但会给 设计者节省好多时间，而且也容易获得成功。尤 其是，设计高性能的复杂物镜时，一般都从专利 文献中选择初始结构。
小视场 显微物镜 大孔径 望远物镜
L,SC,lFC
大视场 目镜
小孔径
X
ts
,
X
t
,
X
s
KT, yFC,yZ
大视场 摄影物镜 全部七种象差 大孔径 投影物镜
精品课件
简单,双胶合 （双分离） 称小象差系统
无须校正轴上点象 差，主要为轴外点 象差，适当校正光 栏球差，比较复杂
复杂 称为大像差系统
14
第二章 光学系统设计过程
精品课件
3
象差研究： （1）象差的分类 （2）象差产生的原因及危害 （3）光学系统对象差的要求及象质评价
所以总的目的 --完成光学系统及光学元件的设计； 象差分析、象差平衡、象质评价
精品课件
4
（2）象差的分类与表示
分类
轴上点 单白色光 ::光 Ll'F',SC C'
光学设计与光学工艺PPT课件
可编辑课件PPT
9
二、光 学 设 计 过 程
3、象质评价
光学设计者必须对各种光学系统的剩余象差的允 许值和象差公差有所了解，以便根据剩余象差的 大小判断光学系统的成象质量。
可编辑课件PPT
10
二、光 学 设 计 过 程
瑞利判断
适用于小象差系统如： 望远物镜、显微物镜等。 实际波面与理想波面之 间的最大波象差不超过
每输入一次要可进编辑行课件一PP次T 自动优化。
12
二、光 学 设 计 过 程
5、公差分析
公差分析的目的:给出合理的加工要求，合理的 加工要求既能保证加工的可行性，同时又能降低加 工难度和加工成本，因此公差分析工作至关重要。
公差分析宗旨:
使最差情况下的传递函数由于工艺因素的总下降
量不大于0.15，以便探测器仍能分辨它对应的空
可间编辑频课件率PP。T
13
二、光 学 设 计 过 程
性能合理镜头的首选公差
可编辑课件PPT
14
二、光 学 设 计 过 程
性能合理镜头的首选公差
Radius（半径）
Fringes（光圈） Irregular（表面不规
则度）
样板的检测精度，光学设计 包偏师括心应光包该学括与元两光件种学的，加厚一工度种师和是沟机简通械单元的件横 向N支=偏撑λ心/的2，（间普上隔通、。的下光）学，加另工一一种般是控使制元 件在始5使个终用光保Z圈E持M，与A较机X软好架件的座模精接拟度触公应的差该“时控滚，制 动公表”差面。操不两作规在种数则3偏T个度T心光H可模I圈有以型以两通实内个过际。参局上数部完，全不 同光in。t圈1在是（滚用△动来N的）定情来义况考公下察差，，的与工表机艺面架上编座号接， 触而良in可好t2以的是做左作到侧为0半补.3径偿个被的光良表圈好面。地编校号准，， 表最面小倾值斜和只最发大生值的是右以侧镜表头面长上度。单
光学变焦系统设计课件
9
变焦系统原理
1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析
定焦系统的缺点： 1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍是有很大的局限性的，
像面位置不稳定，使用上不方便 2. 有些自然环境也不允许物距作大的调整。例如在野外
拍摄，想要拍摄的对像位于大河对岸时，就无法依靠 改变物距来达到变倍的目的。
10
变焦系统原理
14
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法 1. 光学补偿变 ▪ 光学补偿变焦系统是指利用一组或两组透镜的线性移动达
到变倍目的，而又能保证像面变动不大的系统，二组元系 统、三组元系统、四组元系统等
二元组
三元组
15
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法 1. 光学补偿
四元组 三元组补偿点
二元组补偿点
16
四元组补偿点
2.变焦原理 系统的焦距变化有下式给出
分别是两块透镜的光焦度。 是两透镜之间的间隔 是合成光焦度。
若： >0
>0
增大。则 增大
若： >0
<0 且
>
增加 减小
11
变焦系统原理
物像交换原则特点： ▪ 变焦系统的任何运动组份每时每刻都有两个物像交换位置，
对每个运动组份都存在孪生的两条补偿曲线
▪ 组份在此两个物像交换位置上的倍率互为倒数
双组联动系统结构示意图
20
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法 三种变焦系统的比较
21
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法
▪ 光学补偿系统长度较长，只在几个位置处像面完全稳定， 通常适用于小孔径小视场且变焦倍率不大的变焦系统，不 适用于大相对孔径系统。
▪ 机械补偿系统的像质稳定性高，运动机构简单，系统尺寸 介于光学补偿和双组联动系统之间，是目前常用的变焦结 构。采用正组机械补偿时，长度较长，透镜口径较小，前 固定组焦距较长，二级光谱较小。采用负组机械补偿时， 长度较短，但口径较大，前固定组焦距较短，二级光谱较 大。
浙江大学光学设计ppt
21
二、平行平板
u1 d l1 n l2’ A1
u2’ A2’
u1’ A1’(A2)
当角度u1不大时，依次对第一面、第二面使用公式
n' n n'− n 令 r1=r2=∞ − = l' l r
即轴向位移
并考虑过渡，得 l 2 ' = l 1 − d
n
1 ∆ l ' = l 2 '+ d − l 1 = d (1 − ) 该式中无 u ，完善成像 n
通光口径——允许通过的光斑最大直径
K= d D
二次反射等腰 直角棱镜 K=2 D
27
五角棱镜 K=3.414 D
d D 达夫棱镜
D d= sin( 45° − i ' ) 1 K= sin( 45° − i ' )
d
28
五、屋脊棱镜与棱镜组合系统
1.屋脊棱镜：对奇次反射的反射棱镜，为避免镜像，可加一个屋脊。 屋脊：将一个反射面用两个互成直角的反射面来代替，其交线平行于原 反射面，且在主截面上。 作用：与屋脊垂直的坐标单独改变一次方向，相当于增加一次反射。 光被拦 A C
细小平面以细光束经折射球面成像： 细小平面以细光束经折射球面成像： 平面物 —— 》平面像，完善成像 平面物 —— 》平面像，完善成像
8
§1-3 理想光学系统基本概念
一、原始概念 理想光学系统——这种光学系统所成的像与物是完全相似的 物空间 像空间 R M S
光 学 系 统
点——>共轭点 直线——>共轭直线 直线上的点——>共轭直线上的共轭点 同心光束——>共轭同心光束 平面——>共轭平面
R’
M’ S’
二、平行平板
u1 d l1 n l2’ A1
u2’ A2’
u1’ A1’(A2)
当角度u1不大时，依次对第一面、第二面使用公式
n' n n'− n 令 r1=r2=∞ − = l' l r
即轴向位移
并考虑过渡，得 l 2 ' = l 1 − d
n
1 ∆ l ' = l 2 '+ d − l 1 = d (1 − ) 该式中无 u ，完善成像 n
通光口径——允许通过的光斑最大直径
K= d D
二次反射等腰 直角棱镜 K=2 D
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五角棱镜 K=3.414 D
d D 达夫棱镜
D d= sin( 45° − i ' ) 1 K= sin( 45° − i ' )
d
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五、屋脊棱镜与棱镜组合系统
1.屋脊棱镜：对奇次反射的反射棱镜，为避免镜像，可加一个屋脊。 屋脊：将一个反射面用两个互成直角的反射面来代替，其交线平行于原 反射面，且在主截面上。 作用：与屋脊垂直的坐标单独改变一次方向，相当于增加一次反射。 光被拦 A C
细小平面以细光束经折射球面成像： 细小平面以细光束经折射球面成像： 平面物 —— 》平面像，完善成像 平面物 —— 》平面像，完善成像
8
§1-3 理想光学系统基本概念
一、原始概念 理想光学系统——这种光学系统所成的像与物是完全相似的 物空间 像空间 R M S
光 学 系 统
点——>共轭点 直线——>共轭直线 直线上的点——>共轭直线上的共轭点 同心光束——>共轭同心光束 平面——>共轭平面
R’
M’ S’
目视光学系统PPT课件
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目录
• 目视光学系统概述 • 目视光学系统的基本原理 • 目视光学系统的应用 • 目视光学系统的设计与优化 • 目视光学系统的未来发展 • 目视光学系统案例分析
01 目视光学系统概述
定义与分类
定义
目视光学系统是指通过光学原理，将目标物体成像并呈现给观察者，以便进行 观察、识别和测量的系统。
光学系统初步设计
根据系统目标和性能参数，选择 合适的光学元件和设计光学系统 结构。
光学系统仿真与优化
利用光学仿真软件进行光学系统 的模拟，对设计进行优化，提高 光学性能。
总结词
设计原则与流程
实际制作与测试
根据优化后的设计，制作实际的 光学系统，并进行性能测试和评 估。
光学元件的选择与优化
总
光学元件的选择与优化
02 目视光学系统的基本原理
光的性质与传播
光的波粒二象性
光的反射、折射和散射
光既具有波动性，又具有粒子性。光 波在空间传播时会产生衍射、干涉等 现象。
当光遇到不同介质时，会发生反射、 折射和散射现象，这些现象对目视光 学系统的成像质量有重要影响。
光的传播速度
光在真空中的传播速度最快，约为 299，792，458米/秒，在其他介质 中的传播速度会减慢。
性。
测量与定位
目视光学系统还可以用于测量和 定位，通过观察和测量目标物体 的位置和尺寸等信息，可以用于 各种领域，如科学研究、工业制
造、军事侦察等。
促进科技发展
目视光学系统的发展和应用推动 了多个领域的科技进步，如天文 学、生物学、医学、地理学等， 为人类认识世界和改造世界提供
了重要的工具。
目视光学系统的历史与发展
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目录
• 目视光学系统概述 • 目视光学系统的基本原理 • 目视光学系统的应用 • 目视光学系统的设计与优化 • 目视光学系统的未来发展 • 目视光学系统案例分析
01 目视光学系统概述
定义与分类
定义
目视光学系统是指通过光学原理，将目标物体成像并呈现给观察者，以便进行 观察、识别和测量的系统。
光学系统初步设计
根据系统目标和性能参数，选择 合适的光学元件和设计光学系统 结构。
光学系统仿真与优化
利用光学仿真软件进行光学系统 的模拟，对设计进行优化，提高 光学性能。
总结词
设计原则与流程
实际制作与测试
根据优化后的设计，制作实际的 光学系统，并进行性能测试和评 估。
光学元件的选择与优化
总
光学元件的选择与优化
02 目视光学系统的基本原理
光的性质与传播
光的波粒二象性
光的反射、折射和散射
光既具有波动性，又具有粒子性。光 波在空间传播时会产生衍射、干涉等 现象。
当光遇到不同介质时，会发生反射、 折射和散射现象，这些现象对目视光 学系统的成像质量有重要影响。
光的传播速度
光在真空中的传播速度最快，约为 299，792，458米/秒，在其他介质 中的传播速度会减慢。
性。
测量与定位
目视光学系统还可以用于测量和 定位，通过观察和测量目标物体 的位置和尺寸等信息，可以用于 各种领域，如科学研究、工业制
造、军事侦察等。
促进科技发展
目视光学系统的发展和应用推动 了多个领域的科技进步，如天文 学、生物学、医学、地理学等， 为人类认识世界和改造世界提供
了重要的工具。
目视光学系统的历史与发展
光学设计 ppt课件
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光路计算
在不同视场、不同孔径、不同色光等条件下，对大量光线， 用准确的三角方法，通过光线追迹计算出射光线。通过近轴 “光路计算”可求得理想像点的位置；通过实际光线的追迹并 与理想像比较得到的各像差值。可以做出各种表示像差的曲线， 有经验的设计师往往一看这些曲线就能知道系统的缺陷所在。
nd -1
分子是可见光谱段两个边界波长的折射率之差，分母是光学材料在 中间光谱的折射率与它在空气中折射率（相对于所有波长都是1）之差。
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1.6 玻璃的特性
色散
一种测色散的方法是取比值：D
nF - nC nd -1
分子是可见光谱段两个边界波长的折射率之差，分母是光学材料在中间光 谱的折射率与它在空气中折射率（相对于所有波长都是1）之差。
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系统的修改
随着计算机性能的不断提高，许多告诉计算机程序能用最小二 乘法同时修改几个参数以改变多种相差，为系统设计带来了巨大的 便利。
光学设计师在做镜头设计时，其中一部分既占据时间又消耗精 力的工作是系统一级以及三级的手动计算。
所谓系统的一级特性是指能用近轴公式描述的系统性质，包括 等效焦距和后焦距；F数；像的位置；像的大小；主面位置；顶点 与主面间的间隔；入瞳的大小和位置；出瞳的大小和位置；拉格朗 日不变量；轴向和横向色差等。
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1.2 镜头的设计步骤
镜头要预先设计好才能加工，也就是说，要预先计算或规定好各组 元的表面曲率半径、厚度、空气间隔和口径，以及所采用的玻璃牌号。 这些正是光学设计师的主要共作。
影响镜头成像质量的各种像差， 可以通过改变镜头结构来消除或校正， 改动的镜头参数称为“自由度”，包 括各面的曲率半径、厚度与空气间隔、 各镜片所用玻璃的折射率和色散率， 以及孔径光阑的位置等。
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物镜
分划板 目镜
当物体在有限远时，移动物镜中的一块负透镜，使物镜所成的像 仍然在固定的分划板处。这种系统就称为内调焦系统。该系统尺 寸小，携带方便，密封性能好，在大堤测量仪器中多采用此光路
（二）反射式望远物镜
• 天文望远镜常用反射式物镜。
❖目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜。
❖比较著名的双反射系统由两种：卡塞格林系统和格列果 里系统。 ❖卡塞格林系统是由两个反射镜组成，主镜是抛物面，副 镜是双曲面，所成的是倒像，这种结构的筒长比较短。
5、广角目镜
• 广角目镜是为适应大视场系统而设计的。 ❖由于视场角增大，场曲也随之增大。
❖为了保证像差的要求，目镜的结构必须复杂化，
❖或在系统中加入负光焦度的透镜；
❖或增加正透镜组的数目，是光焦度分散。
❖下图是两种视场在60°以上的广角目镜，接目镜用两块 透镜代替。
I型
出瞳
II 型
出瞳
• 所以与同倍其它物镜相比，其结构形式比较复杂。
❖下图是工具显微镜1X物镜的两种结构。视场20mm，工作距离 80mm，数值孔径0.03。 孔径光阑
❖下图是工具显微镜3X物镜的结构。视场分别为6.7mm，工作距 离80mm，数值孔径0.09。
孔径光阑
下图是工具显微镜10X物镜的结构。视场2mm，工作距离20mm， 数值孔径0.16。
副镜
F’ 主镜
格列果里系统也是有两个反射面组成，主镜仍为抛物面，副镜 改为椭球面，所成的像正像,这种结构的筒长比较长。
主镜
副镜 F’
（三）折反射系统
反射系统对轴外像差的校正是很困难的。 理想的折反射系统中反射镜应该是非球面型的，但加工 比较困难。
折反射型望远物镜比较典型的有施密特物镜和马克苏托夫物镜
冉斯登目镜由两块凸面相对的平凸透镜组成，
其间隔d小于惠更斯目镜两透镜的间距。
视场光阑 （物镜像平面 目镜前焦面）
场镜
接目镜
出瞳（眼瞳）
d
• 在成像质量上，由于冉斯登目镜的间隔小，所以 冉斯登目镜的场曲小于惠斯登目镜的场曲。
2、凯涅尔目镜
• 凯涅尔目镜可认为是冉斯登的接目镜改成双胶合镜组 而得到的。
❖6、为了减小物镜有视差引起的放大率误差，孔径光阑 设置在物镜的像方焦平面上，构成物方远心光路。
（二）显微物镜
• 显微物镜根据用途不同分为：
❖消色差显微物镜 ❖复消色差物镜 ❖平场消色差物镜 ❖平场复消色差物镜 ❖折反射显微物镜
❖40X0.95复消色显微物镜
❖40X0.85平场复消色显微物镜
❖普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、 正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。
按数值孔径NA的大小由四种型式
• 1、双胶型 β=1~5x NA=0.1~0.15
❖ 2、李斯特型 β =8~20x NA=0.25~0.30
❖ 3、阿米西型 β =25~40x ❖ 4、阿贝油浸型 β=90~100x
NA=0.40~0.65
NA=1.25~1.40
精密测量中的显微镜，使用高倍物镜的不多。一般均采用低倍 和中倍物镜；但要求平像场；
孔径光阑
下图是工具显微镜40X物镜的结构。视场0.5mm，
工作距离10.5mm，数值孔径0.35。
孔径光阑
三、望远镜的物镜
• 望远物镜的光学特性都用相对孔径D/f ′、焦距f ′和视 场角2ω表示。
❖物镜的这些性能参数决定了它的分辨能力、像的亮度和 结构的尺寸。 ❖望远物镜可分为三种结构型式：即折射式、反射式和折 反射式望远物镜。
精密测量用的显微物镜就有以下特点：
1、在满足一定瞄准和读数精度的条件下，物镜放大率一 般不高，约在1x~10x之间；
❖2、物镜的放大率要求严格准确，允差0.05~0.1%； ❖3、工作距离和线视场都较大，以满足观测一定大小零
件的要求； ❖4、在校正轴上像差时，也要校正轴外像差，像质要求
较高；
❖5、物镜的数值孔径较小（最常用NA=0.1)；为了保证像 的照度，照明系统的光源常用低电压、小功率、高亮度的
❖（一）折射式望远物镜
❖ (1)双胶合物镜：结构简单，制造方便，光能损失少。 可以同时校正球差、正弦差和色差。
❖ 因为胶合面上产生比较大的正高级球差，相对孔径要 受到限制。
❖ 这种物镜不能校正轴外像差，所以视场角2ω不得超过 8~10°。
（2）双分离物镜
• 与双胶合物镜相比，其可以在更大的范围内选择玻璃对， 使球差、色差和正弦差同时得到校正，只是装配校正比
物镜
目镜
F眼’ 正和冉斯登目镜 • 惠更斯目镜由两块平凸透镜组成，其间隔为d。
场镜
视场光阑 物镜像面
接目镜 出射光瞳 （眼瞳）
接目镜物
d
方焦面
❖场镜所产生的轴外差很大，很难予以补偿。所以该目
镜结构不宜在视场光阑平面上设置分划板，因此惠更斯 目镜不宜用在测量仪器中。
r2
r1
1 n2 n2
d
d
F’
r1
r2
第五节 目镜
• 目镜是望远镜和显微镜的重要组成部分。
目镜作用类似于放大镜,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.
目镜的光学特性由它的视场角2ω′、焦距 f′、相对 镜目距p’/fe’ 、工作距离lF. 镜目距是出瞳到目镜后表面的距离,相对镜目距是其 与目镜焦距之比.
• 施密特物镜由球面主镜和施密特校正板组成。
❖校正板是个透射元件，其中一个面是平面，另一个面是 非球面。 ❖非球面的面型能够使中央的光束略有会聚，而使边缘 的光束略有发散，这样球差得到很好校正。
F’ 施密特校正板
马克苏托夫物镜由球面主镜和副弯月型厚透镜组成。
• 弯月形厚透镜的结构若满足下面条件就可以不产生色差，所以可用 它来补偿主镜产生的球差
较困难。 （3）三分离物镜
❖将双分离物镜中的正透镜一分为二。
❖透镜的弯曲比较自由，可以使之成为校正色球差的有力 形状。
（4）内调焦望远物镜
❖用光学零件位置的变化，实现调焦作用的光学系统称为 调焦系统。 ❖调焦系统分为外调焦和内调焦。
❖若以目镜相对于物镜的位置变化实现调焦称外调焦系统。
❖外调焦系统的结构比较简单，像质也比较好。但外形尺 寸较大，密封性能很差。
显微系统的物镜
• （一）显微物镜的特点
❖在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有：
❖放大率 ❖数值孔径 ❖线视场
l'
l
NA n sinU max
2 y 2 y'
❖对于不同倍率的物镜，像方视场2y’为一定值，所以高 倍物镜视场小。
❖NA的大小直接影响分辨本领和成像亮度，它是物镜的 主要性能指标。
❖改成双胶合透镜就能在校正彗差和像散的同时，校正 好倍率色差。
3、对称式目镜
❖对称式目镜是应用非常广泛的中等视场目镜。 ❖它由两个双胶合镜组构成。
4、无畸变目镜 • 无畸变目镜是由一个平凸的接目镜和一组三胶合的
透镜组构成的。
出瞳
❖这种目镜的镜目距很大，所以在有相同的镜目距时， 无畸变目镜的设计焦距可以选得小一些，使结构更加 紧凑一些。 ❖这种特点非常适用于大地测量仪器和军用仪器。
目前，常用的望远镜和显微镜的目镜有惠更斯目镜、 冉斯登（Ramsden)目镜、凯涅尔(Kellner)目镜、对 称目镜、无畸变目镜、广角目镜等等。
目视光学仪器视度调节
• 人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以 矫正
• 目视光学仪器要适应不同视力的人使用 • 为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪
器所成的像不再位于无限远，而位于目镜 的前方或后方一定的位置 • 这就是目视光学仪器的视度调节
目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外面 的光学系统。
目镜的这些光学特性决定了目镜的像差特性：它 的轴上点像差不大。
为了适应近视远视的需要,视度是可以调节的.所 以工作距离要大于视度调节的深度,一般在正负5 D(即5个屈光度) 目镜相对于视场光阑(即分划板)的移动量x等于
x 5 f 'e2 1000 mm