光学系统简介

第二章光学系统简介人眼望远镜系统显微镜系统照相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。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。盲斑：神经纤维的出口，无感光细胞，不能产生视觉。返回（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。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（二）三、30～60分10～20分10分5分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）对共轭出射光束的限制光阑孔径光阑视场光阑第二节光学系统中光束的限制一、光阑孔径光阑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和视场光阑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）；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光学系统的孔径光阑是随着物体位置变化而改变的！！！三、视场光阑四、景深（二）焦深理论上，物平面一定，像平面就应该确定，但在实际光学系统中，当物是垂直于光轴的一个平面时，接收器不仅在理想共轭像位置处可接收到物体的像，而且在其附近都可接收到清晰的像。一个平面物体对应的是有着一定深度的清晰像空间，把像空间的深度称为焦深。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。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：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：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。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。焦距

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，广角镜头相对孔径

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：弱光镜头视场角

能摄入接收面的视场角，由接收面大小决定

是接收面的对角线长摄影光学系统的主要参数摄影系统的分辨率：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。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。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。涂敷层在包层的外面。作用保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。涂敷层一次涂敷层—丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶缓冲层—性能较好的填充油膏二次涂敷层—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。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。光纤的数值孔径NA：NA是光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT（国际电报电话咨询委员会）建议光纤的NA取值范围为0.18～0.23，其对应的光纤端面接收角θc=10°～13°。2、梯度型光纤的传光原理光线在其中沿曲线传播。梯度型光纤折射率分布满足：光纤中心的n光纤截面的半径常数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：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，沿图示曲线传输，光线不再与光纤表面接触，因此也没有全反射。由图(b)可以看出，以不同角度射入光纤的光线，虽沿不同的曲线行进，但它们沿轴向的传输速度大体上相同，因而输出光信号的失真很小。自聚焦光纤可传递一个物体的图像，它相当于一个透镜系统。二、激光光学系统激光是电磁波的一种新的传播形式，它与普通光源不同，是一种结构特殊的高亮度、且方向性、单色性和相干性好的高斯光束。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