光學(xué)系統(tǒng)簡介

第二章光學(xué)系統(tǒng)簡介人眼望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)顯微鏡系統(tǒng)照相系統(tǒng)投影系統(tǒng)第一節(jié)人的眼睛一、人眼的結(jié)構(gòu)（一）人眼的結(jié)構(gòu)

鞏膜：維持眼睛的一定形狀，并可保護(hù)眼睛內(nèi)部。角膜：位于鞏膜的前部，是一個凸形透明球面，厚度約為0.55mm，折射率為1.3771，外界的光線首先通過角膜進(jìn)入眼睛。前室：角膜后面的一部分空間稱為前室，前室中充滿了折射率為1.3374的透明液體，稱為水狀液，前室的深度約為3.05mm。水晶體：由多層薄膜構(gòu)成的一個雙凸透鏡，中間較硬，外層較軟，借助于水晶體的周圍肌肉的作用，可以使其前表面的半徑發(fā)生變化，以改變眼睛的焦距，使不同距離的物體能成象在網(wǎng)膜上。虹膜：是限制進(jìn)入眼睛的光束口徑，稱為瞳孔。后室：水晶體和視網(wǎng)膜之間的空隙稱為后室，里面充滿了透明液體，叫作玻璃液。視網(wǎng)膜：后室的內(nèi)壁是一層由視神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)纖維構(gòu)成的膜，稱為網(wǎng)膜或視網(wǎng)膜，它是眼睛的感光部分。脈胳膜：也稱黑衣。它的作用是吸收透過網(wǎng)膜的光線，把后室變成一個暗室。黃斑：位于視網(wǎng)膜上，四周略呈黃色，它的中心有一個中心凹，此凹處是網(wǎng)膜上視覺最靈敏的區(qū)域，黃斑中心與水晶體象方節(jié)點的連線，叫作眼睛的視軸。盲斑：神經(jīng)纖維的出口，無感光細(xì)胞，不能產(chǎn)生視覺。返回（二）人眼的視覺人眼視網(wǎng)膜中有兩種感光細(xì)胞：一種是桿體細(xì)胞，靈敏度高，能感受弱光刺激，但不能分辨顏色和視場中的細(xì)節(jié)；另一種是錐體細(xì)胞，靈敏度低，只能感受較亮的物體，但能很好的區(qū)分顏色，辨別細(xì)節(jié)。正常顏色視覺的人，視網(wǎng)膜中央向外圍部分過渡，錐體細(xì)胞減少，桿體細(xì)胞增多，對顏色的分辨能力逐漸減弱，直到顏色的感覺消失。明視覺：光亮度在幾個cd/m2以上時正常人眼的視覺。暗視覺：光亮度在百分之幾cd/m2以下時正常人眼的視覺。二、人眼的調(diào)節(jié)

（一）視度調(diào)節(jié)

可以看成是一個變焦距系統(tǒng)。人眼的焦距可以根據(jù)物體的遠(yuǎn)近，通過改變眼中水晶體的曲率半徑，而自行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而減弱。

近點和遠(yuǎn)點的視度（二）三、30～60分10～20分10分5分系統(tǒng)中的一些固定或可變的帶孔屏障或光學(xué)元件的邊緣——光闌光闌（或其像）對入射光束的限制光闌的像（或光闌）對共軛出射光束的限制光闌孔徑光闌視場光闌第二節(jié)光學(xué)系統(tǒng)中光束的限制一、光闌孔徑光闌A.S.的作用：限制成像光束立體角（口徑）控制到達(dá)像面的光能視場光闌

F.S.的作用：限制物面上能成像的范圍限制視場的大小孔徑光闌和視場光闌判斷孔徑光闌的方法：1、求出所有光闌被它前面光組在系統(tǒng)物空間所成像的位置及大??；2、求出這些光闌像對軸上物點的孔徑角（當(dāng)物在無限遠(yuǎn)時，確定所允許的孔徑高度）；3、比較得出其中最小孔徑角（物在無限遠(yuǎn)時為孔徑高度最小）所對應(yīng)光闌像的物就是系統(tǒng)的孔徑光闌。例：2.1P38光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌是隨著物體位置變化而改變的！?。∪?、視場光闌四、景深（二）焦深理論上，物平面一定，像平面就應(yīng)該確定，但在實際光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)物是垂直于光軸的一個平面時，接收器不僅在理想共軛像位置處可接收到物體的像，而且在其附近都可接收到清晰的像。一個平面物體對應(yīng)的是有著一定深度的清晰像空間，把像空間的深度稱為焦深。與景深對應(yīng)五用于顯微鏡瞄準(zhǔn)、讀數(shù)和精密測量，消除景深引起的測量誤差用于大地測量中的測距，消除焦深引起的測量誤差第三節(jié)放大鏡（二）目視光學(xué)儀器的作用1、擴(kuò)大視角人眼的分辨率有一定限制，如觀察物的視角小于人眼的極限分辨率，就要借助于目視光學(xué)儀器來擴(kuò)大物體的視角。2、將物體成像在無窮遠(yuǎn)人眼在正常情況下，無限遠(yuǎn)目標(biāo)成像在視網(wǎng)膜上，為使人眼在觀察時不至于疲勞，常將目標(biāo)通過光學(xué)儀器后，成像在無限遠(yuǎn)。二、顯微鏡系統(tǒng)的成像原理三、顯微系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如采用光電攝影器件(CCD)時的有效放大率：CCD的像素間距第四節(jié)望遠(yuǎn)系統(tǒng)（二）分辨率和工作放大率分辨率瑞利判據(jù)道威判據(jù)人眼極限分辨角為60秒，因此，兩物點滿足：三、望遠(yuǎn)目鏡分類：惠更斯目鏡冉斯登目鏡對稱目鏡艾弗爾目鏡四、反射式與折反式望遠(yuǎn)系統(tǒng)常見反射式光學(xué)系統(tǒng)牛頓卡塞格爾格里高利常見折反式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合了反射式和透射式的優(yōu)點。施密特光學(xué)系統(tǒng)馬克蘇托夫光學(xué)系統(tǒng)第五節(jié)攝影系統(tǒng)攝影系統(tǒng)：指把外界物體縮小成像于感光膠片或光電器件光敏面上的光學(xué)系統(tǒng)。包括：傳統(tǒng)光學(xué)照相機(jī)、電視攝像機(jī)、CCD攝像機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等。焦距

決定像的大?。?/p>

遠(yuǎn)處

近處

大視場小：特寫鏡頭，遠(yuǎn)攝鏡頭

小視場大：全景鏡頭，廣角鏡頭相對孔徑

與像面照度有關(guān)

焦距長時球差大，相對孔徑要小些

大：強(qiáng)光鏡頭

中等：普通鏡頭

?。喝豕忡R頭視場角

能攝入接收面的視場角，由接收面大小決定

是接收面的對角線長攝影光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)攝影系統(tǒng)的分辨率：根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，像面上的最小辨距為。攝影系統(tǒng)的分辨率常用每毫米能區(qū)分的線條數(shù)表示，即對人眼最靈敏的555nm波長，，當(dāng)然視場邊緣的會有所降低。

Cooke攝影物鏡Tessar攝影物鏡雙高斯攝影物鏡

遠(yuǎn)距型攝影物鏡反遠(yuǎn)距攝影物鏡魚眼物鏡標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的視場角和人眼相當(dāng)，可以拍出人眼看起來很自然的照片，而不會在照片上附加任何感覺。廣角鏡頭具有更大的視場角，善于營造方向線，拍出的照片具有空間延伸感。由于近大遠(yuǎn)小的透視效果，用于拍攝人物要注意人物的變形。魚眼鏡頭是廣角鏡頭的極端，它不滿足理想的物像關(guān)系，而是具有很大的負(fù)畸變，可以把180度甚至更大的視場攝入畫面。遠(yuǎn)攝鏡頭具有把距離拉近的效果，并且由于景深小，可以突出畫面上的被攝主體，而使背景變得簡潔。焦距在70mm至100mm左右的鏡頭在遠(yuǎn)攝鏡頭家族中焦距算是短的，特別適合拍攝人像特寫，又叫人像鏡頭。焦距在100mm至135mm的中等焦距遠(yuǎn)攝鏡頭在微距下特別善于表現(xiàn)物體的細(xì)節(jié)與質(zhì)感。焦距在200mm左右的中長焦距遠(yuǎn)攝鏡頭常用于拍攝遠(yuǎn)處的新聞畫面，如報道體育比賽等。焦距為300至500mm甚至更長的遠(yuǎn)攝鏡頭是新聞報道、野生動物攝影的重要創(chuàng)作工具。一些鏡頭被稱為快速鏡頭，它在同樣焦距下具有更大的相對孔徑，因而可以以更短的曝光時間捕捉畫面。第六節(jié)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)一、光纖學(xué)系統(tǒng)光纖：光導(dǎo)纖維，能將進(jìn)入光纖一端的光線傳送到另一端。（一）結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)光纖由纖芯、包層、涂敷層組成。纖芯位于光纖的中心部位。作用是傳導(dǎo)光波。主要成分是高純度的二氧化硅。其余成分為極少量摻雜劑，如五氧化二磷和二氧化鍺。摻雜劑的作用是提高纖芯的折射率。包層也是含有少量摻雜劑的高純度的二氧化硅。作用是將光波限制在纖芯中傳播。摻雜劑有氟或硼。這些摻雜劑的作用是降低包層的折射率。涂敷層在包層的外面。作用保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時增加光纖的柔韌性。涂敷層一次涂敷層—丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠緩沖層—性能較好的填充油膏二次涂敷層—聚丙烯或尼龍等高聚物（二）光纖的種類按折射率分布及光傳輸方式分：突變（階躍）型和漸變（梯度）型光纖。突變型：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的。其成本低，模間色散高。適用于短途低速通訊，如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。漸變型：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高模光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。（三）光纖的傳光原理1、階躍型光纖的傳光原理階躍型光纖利用全反射原理傳輸光，滿足全反射條件的光線在光纖內(nèi)不斷地被反射，從光纖的一端傳播到另一端，其傳播途徑為折線。光纖的數(shù)值孔徑NA：NA是光纖的重要參數(shù)，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對模式色散的影響。CCITT（國際電報電話咨詢委員會）建議光纖的NA取值范圍為0.18～0.23，其對應(yīng)的光纖端面接收角θc=10°～13°。2、梯度型光纖的傳光原理光線在其中沿曲線傳播。梯度型光纖折射率分布滿足：光纖中心的n光纖截面的半徑常數(shù)梯度型光纖中的傳播是一個非均勻介質(zhì)中光線的傳播，其傳播的簡化方程為：梯度型光纖折射率分布滿足：說明光線在介質(zhì)中傳播軌跡是正弦曲線。梯度型光纖，又稱自聚焦光纖，光線以某一角度射入光纖介質(zhì)，逐漸折射到內(nèi)側(cè)，沿圖示曲線傳輸，光線不再與光纖表面接觸，因此也沒有全反射。由圖(b)可以看出，以不同角度射入光纖的光線，雖沿不同的曲線行進(jìn)，但它們沿軸向的傳輸速度大體上相同，因而輸出光信號的失真很小。自聚焦光纖可傳遞一個物體的圖像，它相當(dāng)于一個透鏡系統(tǒng)。二、激光光學(xué)系統(tǒng)激光是電磁波的一種新的傳播形式，它與普通光源不同，是一種結(jié)構(gòu)特殊的高亮度、且方向性、單色性和相干性好的高斯光束。高斯光束垂直于光波傳播方向的電矢量的振幅呈高斯函數(shù)分布的光束。（一）激光束的結(jié)構(gòu)激光束不同于普通的光束，其光束截面半徑ω所確定的光束截面邊界的連線并不是直線，而是曲線，光束截面半徑ω隨傳播距離Z的變化是非線性的，截面最小的位置稱為激光束的束腰，對應(yīng)