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几何光学几何光学1思考：基本概念和理想系统思考：基本概念和理想系统提出光线和光束概念的意义？提出光线和光束概念的意义？形成钻石外观效果的原因。形成钻石外观效果的原因。日出或日落的太阳略显扁平，为什么？日出或日落的太阳略显扁平，为什么？水下观星空，会感受到什么变化？水下观星空，会感受到什么变化？可逆性原理有何应用？可逆性原理有何应用？如何拍摄一虚像？如何拍摄一虚像？构思一包含实物、实像、虚物、虚像概念的系统。构思一包含实物、实像、虚物、虚像概念的系统。眼睛能够观察到实像吗？眼睛能够观察到实像吗？放电影时必须有屏幕，为什么？放电影时必须有屏幕，为什么？光纤弯曲对反射率的影响。光纤弯曲对反射率的影响。相对折射率概念的意义。相对折射率概念的意义。2测量（固、液、气）的折射率，并估计测量精度。测量（固、液、气）的折射率，并估计测量精度。测量（固、液、气）的折射率梯度。测量（固、液、气）的折射率梯度。符号规则的意义。符号规则的意义。远轴如何演变成近轴？意义？远轴如何演变成近轴？意义？牛顿公式和高斯公式的关系？各自应用的场合？牛顿公式和高斯公式的关系？各自应用的场合？注意单折射面和单薄透镜的高斯物像公式和放大注意单折射面和单薄透镜的高斯物像公式和放大率公式的联系和区别。率公式的联系和区别。几种放大率的应用场合。几种放大率的应用场合。图解法、解析法和特性曲线法的优点。图解法、解析法和特性曲线法的优点。色散的定义及色散元件的种类。色散的定义及色散元件的种类。色散现象的正反两面作用。色散现象的正反两面作用。3理想光学系统理论的含义及其在光学设计中的理想光学系统理论的含义及其在光学设计中的作用。作用。为什么说知道了基点的位置就能够完全了解理为什么说知道了基点的位置就能够完全了解理想光学系统的成像特性？想光学系统的成像特性？有几种方法确定一实际光学系统的基点位置？有几种方法确定一实际光学系统的基点位置？几种实际光学系统焦距的测定方法，试估计各几种实际光学系统焦距的测定方法，试估计各自精度。自精度。长焦摄影镜头和变焦摄影镜头的作用？为什么长焦摄影镜头和变焦摄影镜头的作用？为什么？远摄型光组和反远距型光组的应用场合。远摄型光组和反远距型光组的应用场合。透镜放在水中，焦距会变化吗？透镜放在水中，焦距会变化吗？4典型成像光学系统典型成像光学系统 1 平面和平面系统平面和平面系统2 眼睛眼睛3 目视光学系统目视光学系统 4 摄影系统和投影系统摄影系统和投影系统 5 光学系统的外形尺寸设计光学系统的外形尺寸设计51 平面和平面系统平面和平面系统平面镜平面镜双平面镜双平面镜平行平板平行平板反射棱镜反射棱镜折射棱镜折射棱镜6平面镜平面镜1、对称、对称2、左手坐标系、左手坐标系 右手坐标系右手坐标系一个像能否既是一致像，同时又是倒像？一个像能否既是一致像，同时又是倒像？7光学比较仪光学比较仪光学比较仪（光学杠杆）的测量精度受哪些因素的影响？光学比较仪（光学杠杆）的测量精度受哪些因素的影响？8双平面镜和角锥（棱）镜双平面镜和角锥（棱）镜 1、角锥（棱）镜的作用？、角锥（棱）镜的作用？2、比较双面镜和角镜在成像和变换光束过程中的异同。、比较双面镜和角镜在成像和变换光束过程中的异同。9平行平板平行平板1、平行平板是否有像差？、平行平板是否有像差？2、等效空气平板的含义和应用。、等效空气平板的含义和应用。3、怎样极精细地改变一支光路的光程？这种做法的意义？、怎样极精细地改变一支光路的光程？这种做法的意义？10反射棱镜反射棱镜作用：转折光轴、转像、倒像、扫描作用：转折光轴、转像、倒像、扫描此棱镜作用？此棱镜作用？11 思考思考 棱镜棱镜1、棱和脊的区别。、棱和脊的区别。2、反射棱镜中是否有折射现象？、反射棱镜中是否有折射现象？3、哪些情况下采用屋脊棱镜？、哪些情况下采用屋脊棱镜？4、含有棱镜的光学系统的设计步骤。、含有棱镜的光学系统的设计步骤。5、如何确定屋脊棱镜的垂直度公差？、如何确定屋脊棱镜的垂直度公差？6、采用双像（点对称和轴对称）棱镜的好处？、采用双像（点对称和轴对称）棱镜的好处？12折射棱镜折射棱镜现在不用了！为什么？现在不用了！为什么？132 眼睛眼睛:视度、视度、调节调节能力、能力、景深景深 1)1)眼睛的调节能力表示为眼睛的调节能力表示为 称为远点视度，称为远点视度，2)2)调节能力调节能力A A与年龄的关系与年龄的关系 年龄年龄 调节能力调节能力A 3)近视眼、远视眼、散光眼近视眼、远视眼、散光眼4）景深）景深 1、注意调节能力和、注意调节能力和景深的差别。景深的差别。2、老花眼等于远视眼吗？、老花眼等于远视眼吗？称为近点视度称为近点视度.14 眼睛的缺陷及其眼睛的缺陷及其矫矫正正 近视眼的矫正近视眼的矫正 远视眼的矫正远视眼的矫正 如何确定眼镜度数？如何确定眼镜度数？15分辨率和瞄准精度分辨率和瞄准精度 =(112)1）眼睛能分辨两个很靠近的点的能力称为眼睛的）眼睛能分辨两个很靠近的点的能力称为眼睛的分辨分辨率率。在明视距离处对应的线距离约为。在明视距离处对应的线距离约为0.0725毫米。毫米。2）在光学测量中，常用某种标志对目标在垂直于光轴）在光学测量中，常用某种标志对目标在垂直于光轴的方向上进行重合或置中，这一过程称为瞄准，此标志的方向上进行重合或置中，这一过程称为瞄准，此标志即瞄准标志。瞄准后，偏离完全重合或置中的程度称为即瞄准标志。瞄准后，偏离完全重合或置中的程度称为瞄准精度瞄准精度.3）分辨率）分辨率 和瞄准精度和瞄准精度 的关系的关系 4）区别：分辨率概念适用于）区别：分辨率概念适用于观察观察仪器，而瞄准精度概念适仪器，而瞄准精度概念适用于用于 测量测量仪器。仪器。不同瞄准方式有不同的不同瞄准方式有不同的 值值。16视觉视觉放大率放大率 1 1）定义）定义 是是直直接接看看物物体体时时物物体体对对眼眼睛睛的的张张角角，是是通通过过目目视视光光学系统观察物体时，其像对眼睛的张角。学系统观察物体时，其像对眼睛的张角。应用在目视光学系统。应用在目视光学系统。2）其它的）其它的放大率及应用放大率及应用 1、横向（垂轴）放大率、横向（垂轴）放大率 2、角放大率、角放大率 3、轴向放大率、轴向放大率 17思考思考 成像系统成像系统比较景深和调节的不同。比较景深和调节的不同。如何校正远视眼和散光眼。如何校正远视眼和散光眼。分辨率和瞄准精度的区别及联系。分辨率和瞄准精度的区别及联系。如何提高系统的瞄准精度？如何提高系统的瞄准精度？视觉放大率和垂轴放大率分别适用于哪类仪器视觉放大率和垂轴放大率分别适用于哪类仪器？各类成像仪器的视场分别受哪些因素限制？各类成像仪器的视场分别受哪些因素限制？18放放 大大 镜镜19显显微微镜镜20显显 微微 镜镜称为光学筒长称为光学筒长 :物物镜镜的垂的垂轴轴放大率，放大率，:目目镜镜的的视觉视觉放大率放大率 或或21显显 微微 镜镜1 1）显微物镜的数值孔径显微物镜的数值孔径 NA=nsinU NA=nsinU 与与显微镜的物方分辨率显微镜的物方分辨率 的关系的关系2）显微镜的线视场为）显微镜的线视场为 3）显微镜的景深显微镜的景深：随着倍率的增大，显微镜景深会急速减小。随着倍率的增大，显微镜景深会急速减小。景深大好还是小好？景深大好还是小好？4）显微镜放大率的确定显微镜放大率的确定 观察显微镜：观察显微镜：测量显微镜：测量显微镜：22例例 一台生物显微镜的分辨率一台生物显微镜的分辨率 ，求，求该显该显微微镜镜的放大率、物的放大率、物镜镜和和目目镜镜的放大率、物的放大率、物镜镜的数的数值值孔径、物孔径、物镜镜的焦距以及工作距离。的焦距以及工作距离。解：解：1 1）显微镜的有效放大率）显微镜的有效放大率 2）物镜的数值孔径物镜的数值孔径 3）考虑到物镜的放大率与数值孔径的关系，取物镜的放大率为）考虑到物镜的放大率与数值孔径的关系，取物镜的放大率为 则目镜的放大率为则目镜的放大率为 4）一般生物显微镜共轭距）一般生物显微镜共轭距()国家规定为国家规定为195毫米，则工作距离毫米，则工作距离 ，取实际放大率为取实际放大率为 mm 物镜的焦距物镜的焦距 mm 显显 微微 镜镜23显显微微镜镜的物的物镜镜 1 1）显微镜物镜的光学性能参数）显微镜物镜的光学性能参数 主要性能参数是：数值孔径主要性能参数是：数值孔径NA和垂轴放大率和垂轴放大率。2 2）显微镜物镜的类型）显微镜物镜的类型 物镜 折射式 反射式 折反射式 消色差物镜 复消色差物镜平像场（复）消色差物镜 24显微镜物镜的类型显微镜物镜的类型 低倍物镜中倍物镜高倍物镜平像场复消色差物镜反射式物镜25显显微微镜镜的目的目镜镜 显微镜目镜的光学性能参数显微镜目镜的光学性能参数 1 1）像方视场角）像方视场角 2 2）焦距焦距3 3）出瞳距出瞳距 4 4）视度调节）视度调节-目镜轴向移动目镜轴向移动5）工作距离）工作距离s26常用目镜型式常用目镜型式：冉斯登目镜 开涅尔目镜 对称式目镜 无畸变目镜 艾尔弗目镜 27显显微微镜镜的照明系的照明系统统 透射光照明系统透射光照明系统 临界照明临界照明 柯拉照明柯拉照明 28反射光照明系统反射光照明系统 显显微微镜镜的照明系的照明系统统 29孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳定义定义：-，三者共轭。，三者共轭。作用作用：1、光照度，、光照度，2、分辨率，分辨率，3、景深，景深，4、远心系统，远心系统，5、像差、像差30物方远心光学系统物方远心光学系统定义定义：物方主光线平行于光轴，相当于其会聚中心在物方无穷远。：物方主光线平行于光轴，相当于其会聚中心在物方无穷远。作用作用：调焦不准并不影响测量结果。：调焦不准并不影响测量结果。刻尺平面正确物平面思考：像方远心光学系统？思考：像方远心光学系统？31视觉放大率 或望望 远远 镜镜321）观察2）瞄准、测量3）平行光束的扩束、缩束4）改变光束发散角5）改变组合系统的焦距望望 远远 镜的作用镜的作用3334望望远镜远镜的放大率的确定的放大率的确定 1)1)根据望远镜的用途确定视觉放大率根据望远镜的用途确定视觉放大率 对于观察望远镜，有对于观察望远镜，有 对于测量望远镜，有对于测量望远镜，有 2)2)根据物镜口径确定视觉放大率根据物镜口径确定视觉放大率 根据衍射理论和瑞利判据，有根据衍射理论和瑞利判据，有 为充分利用望远镜的分辨率，有为充分利用望远镜的分辨率，有 35望望远镜远镜的放大率的确定的放大率的确定 例例 经纬仪望远镜视觉放大率经纬仪望远镜视觉放大率 ，使用夹线瞄准形式，求，使用夹线瞄准形式，求望远镜的瞄准精度。望远镜的瞄准精度。解解：夹线瞄准形式下眼睛的瞄准精度夹线瞄准形式下眼睛的瞄准精度 ，则望远镜的瞄，则望远镜的瞄准精度准精度例例 天文望远镜物镜口径天文望远镜物镜口径D=1000mmD=1000mm，问视觉放大率应取多少？，问视觉放大率应取多少？解解：实际放大率可取该值的两倍实际放大率可取该值的两倍，36望望远镜远镜的物的物镜镜 1)1)望远物镜的光学特性望远物镜的光学特性 望远物镜的光学特性用焦距望远物镜的光学特性用焦距 相对孔径相对孔径 视场角视场角22)2)望远物镜的类型：望远物镜的类型：折射式望远物镜折射式望远物镜 反射式望远镜物镜反射式望远镜物镜 折反射式望远物镜折反射式望远物镜 37转转像系像系统统和和场镜场镜 双组透镜转像系统双组透镜转像系统 场镜的作用场镜的作用 棱镜转像系统和透镜棱镜转像系统和透镜转像系统各自的优点转像系统各自的优点？384 4 摄摄影系影系统统和投影系和投影系统统 摄影系统的工作原理摄影系统的工作原理1 1 摄影系统的工作原理摄影系统的工作原理2 2 39摄摄影物影物镜镜的光学参数及其作用的光学参数及其作用 1 1）焦距）焦距 （长焦、短焦、变焦）（长焦、短焦、变焦）2 2）相对孔径）相对孔径 作用：作用：（线/毫米）1、物镜的像面分辨率物镜的像面分辨率2、视场中心的像面照度、视场中心的像面照度3 3）视场角）视场角2 2 相对孔径倒数值，称其为F数与光圈数。40摄摄影物影物镜镜的的类类型型 普通摄影物镜 长焦距摄影物镜 短焦距摄影物镜 变焦距摄影物镜 41投投 影影 系系 统统 1 1）照明系统可分为透射照明和反射照明。为实现物面均匀）照明系统可分为透射照明和反射照明。为实现物面均匀照明，可采用柯拉照明方式。照明，可采用柯拉照明方式。2 2）选用倒置的摄影物镜作为投影物镜一般能满足投影系统）选用倒置的摄影物镜作为投影物镜一般能满足投影系统对相对孔径和视场的要求。对相对孔径和视场的要求。3 3）有的投影系统（如光刻投影系统）对畸变有极高要求。有的投影系统（如光刻投影系统）对畸变有极高要求。425 5 光学系光学系统统的外形尺寸的外形尺寸设计设计 设计设计步步骤骤 1 1 确定光学系统的结构原理方案确定光学系统的结构原理方案 2 2 进行外形尺寸的计算进行外形尺寸的计算 43设计实设计实例例 例例 设计设计个万能工具显微镜主显微镜系统（不包括照明系个万能工具显微镜主显微镜系统（不包括照明系统）。主显微镜系统的瞄准精度统）。主显微镜系统的瞄准精度 ，工作距离为，工作距离为60mm60mm。解：解：(1(1）确定系统的结构原理方案）确定系统的结构原理方案如图所示，物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合，如图所示，物体经物镜所成的放大的实像与分划板重合，两者一同经目镜成一放大的虚像。棱镜的型式为斯米特屋两者一同经目镜成一放大的虚像。棱镜的型式为斯米特屋脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折脊棱镜，它能使系统成正像，并且使光路转折4545角，以角，以便于观察和瞄准。为简便起见，物镜和目镜均按薄透镜处便于观察和瞄准。为简便起见，物镜和目镜均按薄透镜处理。为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光理。为避免景深影响瞄准精度，物镜系统采用物方远心光路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。路，即孔径光阑位于物镜像方焦面上。44光光学学系系统统结结构构示示意意图图45等效光路原理图等效光路原理图 46（2 2）外形尺寸计算）外形尺寸计算1)1)首先绘出光学系统的光路原理图首先绘出光学系统的光路原理图 。如图所示，首先将棱如图所示，首先将棱镜作为等效空气平板处理。镜作为等效空气平板处理。2)2)求实际放大率求实际放大率 系统的有效放大率由系统的瞄准精度决系统的有效放大率由系统的瞄准精度决定。用米字形虚线瞄准被测件轮廓，定。用米字形虚线瞄准被测件轮廓，得系统有效放大率得系统有效放大率 由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又由于工具显微镜一般要求有较大的工作距和物方线视场，又要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜要求共轭距不能太长，因而工具显微镜的实际放大率和物镜的放大率均不宜过大。取实际放大率为的放大率均不宜过大。取实际放大率为 473)3)求数值孔径求数值孔径4)4)求物镜和目镜的放大率求物镜和目镜的放大率 物物镜镜的的放放大大率率取取小小一一些些，目目镜镜的的放放大大率率可可适适当当取取大大一一些些，但但也也不不能能太太大大，以以免免镜镜目目距距过过短短。再再综综合合考考虑虑到到物物镜镜放放大大率和数值孔径的关系以及目镜放大率的通用性，率和数值孔径的关系以及目镜放大率的通用性，取物镜的放大率取物镜的放大率 目镜的放大率目镜的放大率 485)5)求目镜的焦距求目镜的焦距 6)6)求视场光阑（分划板）的直径求视场光阑（分划板）的直径D D 考虑到像质及物方线视场的大小，取视场光阑的直径考虑到像质及物方线视场的大小，取视场光阑的直径 7)7)求物方线视场的大小求物方线视场的大小 8)8)求物镜的焦距求物镜的焦距 由高斯公式499)9)求共轭距求共轭距(存在等效空气平板存在等效空气平板)10)10)求物镜的通光口径求物镜的通光口径D D物物和孔径光阑直径和孔径光阑直径D D孔孔 11)11)求斯米特屋脊棱镜的各尺寸求斯米特屋脊棱镜的各尺寸 12)12)求出瞳的位置求出瞳的位置 和口径和口径 50思考思考 成像系统成像系统很高的显微镜放大率带来的正面和负面影响。很高的显微镜放大率带来的正面和负面影响。概述数码显微镜光学系统外形尺寸设计的主要步骤。概述数码显微镜光学系统外形尺寸设计的主要步骤。天文望远镜的物镜口径、焦距很大，为什么？天文望远镜的物镜口径、焦距很大，为什么？望远系统的几个应用。望远系统的几个应用。如何选用目镜？如何选用目镜？几何光学理论能否适用于非可见光频段？为什么？几何光学理论能否适用于非可见光频段？为什么？51思考思考 光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制光阑的类型及作用。光阑的类型及作用。图像边缘较暗的原因？如何使照度均匀？图像边缘较暗的原因？如何使照度均匀？两系统相接，在光束限制方面应有何要求？两系统相接，在光束限制方面应有何要求？如何确定某光束的主光线？如何确定某光束的主光线？如何改变主光线的位置？其意义？如何改变主光线的位置？其意义？一细长的多透镜光学系统很可能视场很小，为什么？如何使一细长的多透镜光学系统很可能视场很小，为什么？如何使视场变大？视场变大？如何增大或减小景深？如何增大或减小景深？景深的正反两方面作用。景深的正反两方面作用。52思考思考 像差理论和像质评价像差理论和像质评价哪些因素造成了像差的存在？哪些因素造成了像差的存在？像差的类型？分别对像质产生什么影响？像差的类型？分别对像质产生什么影响？什么情况下不存在色差？不存在任何像差？什么情况下不存在色差？不存在任何像差？如何减小像差？如何减小像差？如何减小像差对测量精度的影响？如何减小像差对测量精度的影响？系统的畸变能否为零？系统的畸变能否为零？几种像质评价方法的原理、适用场合。几种像质评价方法的原理、适用场合。理解空间频率和光学传递函数的含义。理解空间频率和光学传递函数的含义。53思考思考 光度学光度学以以 坎德拉、坎德拉坎德拉、坎德拉/平方米、流明、勒克斯分别作为发光强度、平方米、流明、勒克斯分别作为发光强度、光亮度、光通量和光照度等的单位光亮度、光通量和光照度等的单位。辐射量和光学量（光通量、照度、发光强度、亮度）之间的辐射量和光学量（光通量、照度、发光强度、亮度）之间的关系。关系。一百瓦灯泡发出的光通量。一百瓦灯泡发出的光通量。积分球的作用？积分球的作用？夜景为什么带有偏蓝的冷色调？夜景为什么带有偏蓝的冷色调？各光学量之间的关系及其应用场合。各光学量之间的关系及其应用场合。理解了亮度，也就理解了辐射量和其它光学量。理解了亮度，也就理解了辐射量和其它光学量。54