5章典型光学系统详解

• 相对孔径：D/F ’。 F ’为物镜焦距，
第67页D/共为94页入 瞳 直 径
【例题】 经纬仪望远镜满足视觉放大率，使用夹线瞄 准形式，求望远镜的瞄准精度。
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
107ຫໍສະໝຸດ 4.5 2.510.2 5
0
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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 由亮处到暗处时，适应时间大约30-60分钟。
• 人眼的生理结构 • 人眼的光学结构——简约眼 • 人眼相当于照相机
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简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼
折射面的曲率半径 像方介质的折射率 网膜的曲率半径 物方焦距 像方焦距 光焦度
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5.56mm 1.333 9.7 mm -16.70mm 22.26 mm 59.88D
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• 定义：通过目视光学仪器观察物体时，其像 对眼睛张角的正切与直接看物体时物体对眼 睛张角的正切之比
• 视放大率是一种主观放大率，不同于前面介 绍的三种客观放大率。
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放大镜的视放大率
• 当人眼直接观察物体时
通常D=250mm
• 当人眼通过放大镜观察物体时
• 视放大率
近视眼
-r
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远视眼：
r
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散光眼
-r -r

解：（一）判断系统的孔径光阑 1、将L1的边框经过前面的光学系统成像到系统的物空 间，由于前面没有成像元件故L1边框的像 L'1 就是 自身，即 D'1 40mm 2、将L2的边框经过前面的光学系统L1成像到系统的物 空间，设像 L'2为，则由高斯公式有 1）L'2 的位置：
1 1 1 1 1 1 l '1 133m m l '1 l1 f '1 l '1 50 80
光阑——起限 制成像光束作 用的透光孔。
所有光 学系统 都有
二、光阑的位置
视场光阑 一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有
孔径光阑随系统而异，目视光学系统要求孔阑或孔阑的 像一定要在外面，以与眼瞳重合；远心光学系统要求孔 阑在焦面上。其他无特殊要求的可以选择。 渐晕光阑位置可选择，以改善成像质量，与视场光阑二者 必有其一
第五章
光学系统中光束的限制
以前主要讨论理想光学系统的特性：理想光学 系统不仅可以实现点对点成像，而且可以对任 意物以任意宽的光束给出某一定倍率的像。当 共轭距一定时，物的大小与像的大小成比例。 但实际光学系统的成像光束将会受到限制。透 镜的大小和像面的大小有限，从而限制了成像 光束的宽度和成像范围。
一、孔径光阑
一个光学系统有若干个透光孔，其中哪一个是孔径光阑？ 是最前面的一个吗？是最小的一个吗？请看动画：
?
何为孔阑要依当时条件而确定，物体的位置变了， 孔阑可能会变。当物体位置一定时，有一个光孔 最限制成像光束的宽（角）度——孔阑
孔径光阑对轴上点光束的限制
孔径光阑
A
A’
孔径光阑对轴外点光束的限制
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

注意：此处入（出）射窗的定义与教材不同， 为什么呢？先思考，讲完“渐晕”后解释。
5.4 渐晕光阑（重点、难点）

1、定义：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径 所拦截的现像，称为“渐晕”；用以产生渐晕效果的光阑， 称为“渐晕光阑”。
有两个渐 晕光阑！
实际上，渐晕现像是普 遍存在的，我们用不着 绝对的消除渐晕。一般 系统允许有50％的渐晕 （拦一半），甚至30％ 的渐晕。
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳（重点）


前面已经说过，用以限制进入系统的成像光束口径的光阑，称为孔径 光阑，与之相关的两个重要概念就是出瞳和入瞳。 一、定义： 1、入瞳：孔径光阑经前面的透镜组（光学系统）在物空间所成的像。 入瞳决定了物方最大孔径角的大小，是所有入射光的入口。 2、出瞳：孔径光阑经后面的透镜组（光学系统）在像空间所成的像。 出瞳决定了像方孔径角的大小，且是所以出射光的出口。
目前大部分应用光学教材都直接称视场光阑的像是入（出）射 窗，并没有详解其中理由，以上为本人概括，参考资料为《几 何光学和光学设计》王子余著P85~P86，浙江大学出版社。

5.4 渐晕光阑（重点、难点）
暗角 以及LOMO的暗角艺术效果
5.4 渐晕光阑（重点、难点）


2、消除渐晕的条件
只要入射窗（决定了物方视场的大小）与物平面重合，出射窗 与像平面重合就可消除渐晕。

例题5-1： 计算判断系统的孔径光阑，并计算入瞳、出瞳 的位置和大小。
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳（重点）


二、主光线、相对孔径 、光瞳数以及数值孔径
1、主光线：通过入瞳中心的光线叫主光线。 主光线不仅通过入瞳中心也通过孔径光阑中心及出瞳中心。 主光线是物面上发出的充满光学系统入瞳的成像光束的轴线。

折反
Cassegrain-type Ritchie Cretien望远镜
632.8nm这个 波长可以看做 没球差
在较大空间频率范围内，都有 较大的MTF值
常数场曲，无畸变！
可见这个 望远镜是 设计相当 完美的一 个
显微镜


显微镜由物镜和目镜组成 物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实 像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚 像，该像位于无穷远或明视距离处
施密特望远镜： 它在球面反射镜的球心位置处放 置一施密特校正板。它是一个面 是平面，另一个面是轻度变形的 非球面，使光束的中心部分略有 会聚，而外围部分略有发散，正 好矫正球差和彗差。
马克苏托夫望远镜 ：
在球面反射镜前面加一个弯月型透 镜，选择合适的弯月透镜的参数和 位置，可以同时校正球差和彗差。
以马克苏托夫望远镜为例：
让我们把反射和折反的图放一起比较下
注意： 比较像差的大小要看图像的范围。 这里反射弥散斑范围1000um，而 折射仅40um。所以如果两个放到 一个比例下比较，折反射的像差 远小于反射的
比较下反射和折反的MTF图：
同样，应注意横坐标的范围： 反射 显然折反式在很高的频率仍具有较高的 MTF
NEC GT1150投影机光学系统实物图
对光学设计而言，设计投影系统，一是要让整体结构尽量紧 凑，尺寸小，重量要轻。此外好的照明系统，和好的物镜都 是设计的关键
投影的小型化趋势
投影仪就是把待投影的图像放在一个物镜一倍和二倍焦距之 间，这样能在远处的屏幕上成像。但其实际结构却复杂的多， 以我们教室头上的投影仪为例，它的内部是怎样的呢？
注意:在投影机中所使用的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并没有 针对红、绿、蓝等颜色差别。为了清晰再现图像色彩，它其实是使用了 三张LCD液晶板来分别再现三种颜色，然后再经过光学系统的把这些分 离的颜色合成再一起，投影在屏幕上，就组成了一副完整的图像。