第一篇：光學鏡頭基礎知識

光學鏡頭基礎知識

這是很久以前系統集成時總結的一點心得體會與大家分享。光學鏡頭是機器視覺系統中必不可少的部件,直接影響成像質量的優劣，影響算法的實現和效果。另外爭取選折合適的鏡頭，降低機器視覺系統成本，才是產業興旺發達的唯一出路。光學鏡頭規格繁多，有時不免頭暈。光學鏡頭從焦距上可分為短焦鏡頭、中焦鏡頭，長焦鏡頭；從視場大小分有廣角、標準，遠攝鏡頭；結構上分有固定光圈定焦鏡頭，手動光圈定焦鏡頭，自動光圈定焦鏡頭，手動變焦鏡頭、自動變焦鏡頭，自動光圈電動變焦鏡頭，電動三可變（光圈、焦距、聚焦均可變）鏡頭等。根據我們使用的經驗，俄羅斯的光學鏡頭很便宜。分類

結構上分

固定光圈定焦鏡頭

簡單。鏡頭只有一個可以手動調整的對焦調整環，左右旋轉該環可使成像在CCD靶面上的圖像最清晰。沒有光圈調整環，光圈不能調整，進入鏡頭的光通量不能通過改變鏡頭因素而改變，只能通過改變視場的光照度來調整。結構簡單，價格便宜。手動光圈定焦鏡頭

手動光圈定焦鏡頭比固定光圈定焦鏡頭增加了光圈調整環，光圈范圍一般從F1.2或F1.4到全關閉，能方便地適應被被攝現場地光照度，光圈調整是通過手動人為進行的。光照度比較均勻，價格較便宜。自動光圈定焦鏡頭

在手動光圈定焦鏡頭的光圈調整環上增加一個齒輪合傳動的微型電機，并從驅動電路引出3或4芯屏蔽線，接到攝像機自動光圈接口座上。當進入鏡頭的光通量變化時，攝像機CCD靶面產生的電荷發生相應的變化，從而使視頻信號電平發生變化，產生一個控制信號，傳給自動光圈鏡頭，從而使鏡頭內的電機做相應的正向或反向轉動，完成調整大小的任務。

4手動光圈定焦鏡頭

焦距可變的，有一個焦距調整環，可以在一定范圍內調整鏡頭的焦距，其可變比一般為2～3倍，焦距一般為3.6~8mm。實際應用中，可通過手動調節鏡頭的變焦環，可以方便地選擇被監視地市場的市場角。但是當攝像機安裝位置固定下以后，在頻繁地手動調整變焦是很不方便的。因此，工程完工后，手動變焦鏡頭的焦距一般很少調整。僅起定焦鏡頭的作用。

5自動光圈電動變焦鏡頭

與自動光圈定焦鏡頭相比增加了兩個微型電機，其中一個電機與鏡頭的變焦環合，當其轉動時可以控制鏡頭的焦距；另一電機與鏡頭的對焦環合，當其受控轉動時可完成鏡頭的對焦。但是，由于增加了兩個電機且鏡片組數增多，鏡頭的體積也相應增大。6電動三可變鏡頭 與自動光圈電動變焦鏡頭相比，只是將對光圈調整電機的控制由自動控制改為由控制器來手動控制。

場合上分：

按視場大小分為：小視場鏡頭，普通鏡頭（約50度左右），廣角鏡頭和特廣角鏡頭（100－120度）標準鏡頭：視角約50度，也是人單眼在頭和眼不轉動的情況下所能看到的視角，所以又稱為標準鏡頭。5mm相機的標準鏡頭的焦距多為40mm，50mm或55mm。120相機的標準鏡頭焦距多為80mm或75mm。CCD芯片越大則標準鏡頭的焦距越長。

２、廣角鏡頭：視角90度以上，適用於拍攝距離近且范圍大的景物，又能刻意夸大前景表現強烈遠近感即透視。35mm相機的典型廣角鏡頭是焦距28mm，視角為72度。120相機的50，40mm的鏡頭便相當于35mm相機的35，28mm的鏡頭．

３、長焦距鏡頭：適于拍攝距離遠的景物，景深小容易使背景模糊主體突出，但體積笨重且對動態主體對焦不易。35mm相機長焦距鏡頭通常分為三級，135mm以下稱中焦距，135－500mm稱長焦距，500mm 以上稱超長焦距。120相機的150mm的鏡頭相當于35mm相機的105mm鏡頭。由於長焦距的鏡頭過于笨重，所以有望遠鏡頭的設計，即在鏡頭后面加一負透鏡，把鏡頭的主平面前移，便可用較短的鏡體獲得鏡體獲得長焦距的效果。

４、反射式望遠鏡頭：是另一種超望遠鏡頭的設計，利用反射鏡面來構成影像，但因設計的關系無法裝設光圈，僅能以快門來調整曝光。

５、微距鏡頭（marco lens）：除作極近距離的微距攝影外，也可遠攝。接口類型來分C型鏡頭

法蘭焦距是安裝法蘭到入射鏡頭的平行光的匯聚點之間的距離。法蘭焦距為17.526mm 或0.690in。安裝羅紋為：直徑1in，32牙.in。鏡頭可以用在長度為0.512in(13mm)以內的線陣傳感器。但是，由于幾何變形和市場角特性，必須鑒別短焦鏡頭是否合用。如焦距為12.6mm的鏡頭不應該用長度大于6.5mm的線陣。如果利用法蘭焦距尺寸確定了鏡頭到列陣的距離，則對于物方放大倍數小于20倍時需增加鏡頭接圈。接圈加在鏡頭后面，以增加鏡頭到像的距離，以為多數鏡頭的聚焦范圍位5－10％。鏡頭接長距離為焦距/物方放大倍數。CS型鏡頭

With a 5 mm adapter ring, a C lens can be used on a CS-mount camera.U型鏡頭

一種可變焦距的鏡頭，其法蘭焦距為47.526mm或1.7913in，安裝羅紋為M42×1。主要設計作35mm照片應用（如國產和進口的各種135相機鏡頭），可用于任何長度小于1.25in(38.1mm)的列陣。建議不要用短焦距鏡頭。4 42mm 鏡頭 3 L型鏡頭 固定焦距寬視場鏡頭，最初設計作照相放大作用（如國產各種放大機鏡頭），且在2.25in(63.5mm)視場內具有良好的特性。法蘭焦距是具體鏡頭的函數。安裝螺紋為M39×1.0。可用于長度為1.25in(35.1)以內的列陣，且不受限制。

第二篇：光學基礎知識

光學基礎知識

物理學的一個部門。光學的任務是研究光的本性，光的輻射、傳播和接收的規律；光和其他物質的相互作用（如物質對光的吸收、散射、光的

機械作用和光的熱、電、化學、生理效應等）以及光學在科學技術等方面的應用。

17世紀末，牛頓倡立“光的微粒說”。當時，他用微粒說解釋觀察到的許多光 學現象，如光的直線性傳播，反射與折射等，后經證明微粒說并不正確。1678 年惠更斯創建了“光的波動說”。波動說歷時一世紀以上，都不被人們所重視，完全是人們受了牛頓在學術上威望的影響所致。當時的波動說，只知道光線會在

遇到棱角之處發生彎曲，衍射作用的發現尚在其后。1801年楊格就光的另一現象（干涉）作實驗（詳見詞條：楊氏干涉實驗）。他讓光源S的光照亮一個狹長的縫隙S，這個狹縫就可以看成是一條細長的光源，從這個光源射出的光線再通1 過一雙狹縫以后，就在雙縫后面的屏幕上形成一連串明暗交替的光帶，他解釋說

光線通過雙縫以后，在每個縫上形成一新的光源。由這兩個新光源發出的光波在

抵達屏幕時，若二光波波動的位相相同時，則互相疊加而出現增強的明線光帶，若位相相反，則相互抵消表現為暗帶。楊格的實驗說明了惠更斯的波動說，也確 定了惠更斯的波動說。同樣地，19世紀有關光線繞射現象之發現，又支持了波 動說的真實性。繞射現象只能借波動說來作滿意的說明，而不可能用微粒說解釋。

20世紀初，又發現光線在投到某些金屬表面時，會使金屬表面釋放電子，這種 現象稱為“光電效應”。并發現光電子的發射率，與照射到金屬表面的光線強度

成正比。但是如果用不同波長的光照射金屬表面時，照射光的波長增加到一定限

度時，既使照射光的強度再強也無法從金屬表面釋放出電子。這是無法用波動說

解釋的，因為根據波動說，在光波的照射下，金屬中的電子隨著光波而振蕩，電

子振蕩的振幅也隨著光波振幅的增強而加大，或者說振蕩電子的能量與光波的振

幅成正比。光越強振幅也越大，只要有足夠強的光，就可以使電子的振幅加大到

足以擺脫金屬原子的束縛而釋放出來，因此光電子的釋放不應與光的波長有關。

但實驗結果卻違反這種波動說的解釋。愛因斯坦通過光電效應建立了他的光子學

說，他認為光波的能量應該是“量子化”的。輻射能量是由許許多多分立能量元

組成，這種能量元稱之為“光子”。光子的能量決定于方程 E=hν 式中E=光子的能量，單位焦耳

-34h=普朗光常數，等于6.624?10焦耳?秒

ν=頻率。即每秒振動數。ν=c／λ，c為光線的速度，λ為光的波長。現代的觀念，則認為光具有微粒與波動的雙重性格，這就是“量子力學”的基礎。

在研究和應用光的知識時，常把它分為“幾何光學”和“物理光學”兩部分。適

應不同的研究對象和實際需要，還建立了不同的分支。如光譜學，發光學、光度

學，分子光學、晶體光學，大氣光學、生理光學和主要研究光學儀器設計和光學

技術的應用光學等等。

嚴格地說，光是人類眼睛所能觀察到的一種輻射。由實驗證明光就

是電磁輻射，這部分電磁波的波長范圍約在紅光的0.77微米到紫光的0.39微米

之間。波長在0.77微米以上到1000微米左右的電磁波稱為“紅外線”。在0.39 微米以下到0.04微米左右的稱“紫外線”。紅外線和紫外線不能引起視覺，但

可以用光學儀器或攝影方法去量度和探測這種發光物體的存在。所以在光學中光 的概念也可以延伸到紅外線和紫外線領域，甚至X射線均被認為是光，而可見光 的光譜只是電磁光譜中的一部分。

物理學上指能發出一定波長范圍的電磁波（包括可見光與紫外線、紅外線和X光線等不可見光）的物體。通常指能發出可見光的發光體。凡物體自

身能發光者，稱做光源，又稱發光體，如太陽、恒星、燈以及燃燒著的物質等都

是。但像月亮表面、桌面等依靠它們反射外來光才能使人們看到它們，這樣的反

射物體不能稱為光源。在我們的日常生活中離不開可見光的光源，可見光以及不

可見光的光源還被廣泛地應用到工農業，醫學和國防現代化等方面。光源主要可

分為：熱輻射光源，例如太陽、白熾燈、炭精燈等；氣體放電光源，例如，水銀

燈、熒光燈等。激光器是一種新型光源，具有發射方向集中、亮度高，相干性優

越和單色性好的特點。

光學中以光的直線傳播性質及光的反射和折射規律為基礎的學科。它研究一般光學儀器（如透鏡、棱鏡，顯微鏡、望遠鏡、照相機）的成像

與消除像差的問題，以及專用光學儀器（如攝譜儀、測距儀等）的設計原理。嚴

格說來，光的傳播是一種波動現象，因而只有在儀器的尺度遠大于所用的光的波

長時，光的直線傳播的概念才足夠精確。由于幾何光學在處理成像問題上比較簡

單而在大多數情況下足夠精確，所以它是設計光學儀器的基礎。光學中研究光的本性以及光在媒質中傳播時各種性質的學科。物理光學過去也稱“波動光學”，從光是一種波動出發，能說明光的干涉、衍射

和偏振等現象。而在赫茲用實驗證實了麥克斯韋關于光是電磁波的假說以后，物

理光學也能在這個基礎上解釋光在傳播過程中與物質發生相互作用時的部分現 象，如吸收，散射和色散等，而且獲得一定成功。但光的電磁理論不能解釋光和

物質相互作用的另一些現象，如光電效應、康普頓效應及各種原子和分子發射的

特征光譜的規律等；在這些現象中，光表現出它的粒子性。本世紀以來，這方面 的研究形成了物理光學的另一部門“量子光學”。

光源發出之光，通過均勻的介質時，恒依直線進行，叫做光的直

進。此依直線前進之光，代表其前進方向的直線，稱之為“光線”。光線在幾何

光學作圖中起著重要作用。在光的直線傳播，反射與折射以及研究透鏡成像中，都是必不可少且要反復用到的基本手段。應注意的是，光線不是實際存在的實物，而是在研究光的行進過程中細窄光束的抽象。正像我們在研究物體運動時，用質

點作為物體的抽像類似。

指地球進入月球的本影中，太陽被遮蔽的情形。當太陽、月球和 地球在同一條直線上時便會發生。月球每月都會處于太陽與地球之間，不過日食

并不能每月看到，這是因為白道（月球的軌道）平面對地球軌道有5?的傾角。月球可能時而在黃道之上或時而在黃道之下，故其陰影不能落在地球上。只有當

太陽、月球和地球在一直線內，才能產生日蝕。如果地球的某一部分在月影之內，即發生日蝕；日蝕有全蝕、偏蝕、環蝕三種。地球上的某些地方正位于月球的影

錐之內（即在基本影之內）這些地方就能觀看到日全蝕。錐外虛影所射到的地方

（即半影內的地方）則看到偏蝕。月球離地球較遠的時候，影錐尖端達不到地面，這時從圓錐的延長線中央部分看太陽的邊緣，還有狹窄的光環，這就是發生的環

蝕現象。環蝕在亞洲，一百年中只能遇見十幾次，在一個小地區欲見環蝕者，數

百年也難得有一次機會。月影投到地面上，急速向西走，所以某一地點能夠看見 的全蝕時間非常的短，最長不過七分半鐘，平均約3分。日全蝕帶的寬度，平均約160公里。在某一地點能夠看見日全蝕的機會，非常的少；平均360年只有一

次。日全蝕的機會雖少，而需要觀測和研究的問題甚多。例如日月相切時刻的測

定。愛因斯坦引力說的證明等等。在我國古代稱之為歲星，是九大行星中最大也最重的行星，它的 直徑比地球的直徑大11倍，它的質量也比地球重317倍。它的自轉周期為9.842 小時，是所有行星中最快的一個。木星上的大氣分布很廣闊，其組成含氫（H）2 氮（N）、沼氣（甲烷CH）及氨氣（NH），因此，其表面完全為昏暗所籠罩著。243 木星離地球的距離為628 220 000公里，它的赤道直徑為142 804公里，比地球

要大11倍。雖然它是太陽系最大的一顆行星，但它卻有最短的自轉周期，比起

地球的一天短了14小時6分鐘；故知它是以極其驚人的速度不停地自轉著，就

是在其赤道上的某一質點最少也以時速45 000公里的速度卷旋前進著。離心力在赤道地帶也大得驚人，結果便造成赤道的凸出，使此行星變成如一個壓扁的橙

子一樣。木星有四顆大衛星，被命名為木衛

一、木衛二?，都能用小望遠鏡看到，甚至有人能用肉眼觀察到。顯然它們的體積必定相當可觀，它們的直徑木衛一約

是3719公里，木衛二約是3139公里，木衛三約是5007公里，木衛四約是5184 公里。在這四顆衛星中，最靠近木星表面的一顆就是木衛一。由于巨大的衛星引 力。木衛一只能以42小時半的時間環繞木星一周。在這些木衛環繞木星的過程

中，它們有時在木星之后所謂被掩，有時在木星的陰暗面，稱為蝕，有時在木星

前叫作凌犯。

當地球位于太陽和月球之間而且是滿月時，進入地影的月球，就

會發生月蝕。月球全部走到地影中的時候，叫做全蝕；只有一部分進入本影的時

候，叫做偏蝕。月全蝕的時候可分做五象，當月球和本影第一次外切的時候，叫

做初虧；第一次內切的時候叫做蝕既；月心和本影中心距離最近的時候，叫做蝕

甚；當月球和本影第二次內切的時候，叫做生光；第二次外切的時候叫做復圓。

偏蝕時，只有初虧、蝕甚、復圓三種現象。月蝕現象一定發生于望（陰歷十五）的時候；但是望的時候，未必發生月蝕。這是因為白道（月球運行軌道）和黃道

（地球運行的軌道）不相一致的緣故。但望時的月球如果距離交點太遠，將不能

發生月蝕；必須在某一定距離之內，才可以發生月食，這一定的界限，叫做月蝕

限；這限界是隨日、月、地球的距離和白道交角的變化而略有變動，最大值為 12.2?，最小值為9.5?。月蝕最長時共維持3小時40分，其中1時40分為全 蝕，其余兩小時為偏蝕。月蝕如在地平以上發生，則因地球自轉，故可見地區超

過半個地球。月全蝕時因地球大氣反射紅光進入地影，故可見古銅色微光之月面。

月蝕次數雖較少，但見蝕帶極廣，而日蝕帶狹窄，故同一地區之居民，看見月蝕

之次數較日蝕多。

一般指光在真空中的傳播速度。真空中的光速是物理學的常數之

一，它的特征是：（1）一切電磁輻射在真空中傳播的速率相同，且與輻射的頻

率無關；（2）無論在真空中還是在其他物質媒質中，無論用什么方法也不能使

一個信號以大于光速c的速率傳播；（3）真空中光速與用以進行觀測的參照系

10無關。如果在一伽利略參照系中觀察到某一光信號的速率為c=2.99793?10厘米／秒，那么，在相對此參照系以速度v平行于光信號運動的另一個伽利略參照

系中，所觀測到的光信號一定也是c，而不是c＋v（或c-v），這就是相對論的基礎；（4）電磁學理論中的麥克斯韋方程和羅倫茲方程中都含有光速。當用高

斯單位來寫出這兩個方程時，這一點特別明顯。光在真空中的速度為c，在其他媒質中，光的速度均小于c，且隨媒質的性質和光波的波長而不同。

伽利略曾經建議，使光行一段7.5千米的路程以測定其速度，但因所用的設備不完善而未成功。此后，直到1675年，丹麥學者羅默在巴黎求得光速之可用數值。羅默把他的觀察擴展到宇宙之間，而其所用的研究對象

則為木星衛星的成蝕。這些衛星之中最內層的

因此，每經過此一周期之間隔，M便再次進入木星J之陰影中，而使地球上的觀察者暫時無法看到它。羅默發現，當地球E環繞太陽S作公轉

木星衛星的成蝕要遲14秒鐘會才發生；又當地球在同一時間（即

至于木星衛星的實際繞轉周期，則可根據地球公轉到E或E時所作之觀測58 2求得。羅默認為此一現象，確實是由于地球從E運行到W之時，光之進行必須1 跟在地球后面追趕上去，而當地球由E運行到E時，則光之進行可對著地球迎67 著趕上所致。由此可知，E與E或E與E之間的距離，與地球在木星的衛星繞木1267 星一周所需要的時間內運行的路程相符合。因為地球公轉速度為30千米／秒，所以此二距離都是等于42.5?60?60?30（千米），約為，4 600 000千米。這說明光需要多走14秒鐘始能趕上地球由E至E的這一段距離；另一方面它在地12 球由E至E向光迎頭趕上的這段距離中，光之行進卻能省下14秒鐘。由此得到67 光速約稍大于300 000千米／秒（4 600 000／14?328 000千米／秒）。當地球由E遠離木星而繼續運轉至E、E?等處時，那么當靠近E時，則每次成蝕延2345遲之時間相繼地累積起來，直到地球漸近于E時成蝕延遲時間逐漸減少為零了5（此乃由于木星與地球間的距離之增加，由于接近E而漸漸減少，終于抵達E55而趨于零所致）。故成蝕延遲之時間，當地球在半年之中由E運轉至E時，每85次成蝕延遲時間相加起約等于1000秒。這也就是光從木星到達E和光從木星到5達E8這兩段行程所需的時間差（亦即光行經地球公轉軌道直徑EE所需之時間）。58由天文學上可知地球公轉的軌道這直徑為d=300 000 000千米；利用此數值計算出的光速為

這一數值要比根據每連續兩次木星衛星成蝕之時差所求得的光速更可靠一 些。羅默測出的光速c=315 000千米／秒，和現在科學家采用更較精細的量度方

法在真空中求得之光速的數值c=299 696?4千米／秒，實極接近。c=299 796 這個數值是美國物理學家邁克耳孫測出的。在激光得以廣泛應用以后，開始利用

激光測量光速。其方法是測出激光的頻率和波長，應用 c=λν

計算出光速c，目前這種方法測出的光速是最精確的。根據1975年第15屆 國際計量大會決議，把真空中光速值定為 c＝299 792 458米／秒。

8在通常應用多取c=3?10米／秒。

Michelson（1852～1931年）美國物理學家。他創造的邁克耳孫干涉儀對光學和近代物理學是一巨大的貢獻。它不但可用來測定微小長度、折射率和光波波長等，也是現代光學儀器如付立葉光譜儀等儀器的重要組成部 分。他與美國化學家莫雷（1838～1923年）在1887年利用這種干涉儀，作了著名的“邁克耳孫—莫雷實驗，這一實驗結果否定了以太的存在，從而奠定了相對 論的實驗基礎。1926年用多面旋鏡法比較精密地測定了光的速度。光在均勻媒質中是沿著直線傳播的。因此，在點光

源（即其線度和它到物體的距離相比很小的光源）的照明下，物體的輪廓和它的

影子之間的關系，相當于用直線所做的幾何投影。光的直線傳播定律是人們從實

踐中總結出來的。而直線這一概念本身，顯然也是由光學的觀察而產生的。作為

兩點間的最短距離是直線這一幾何概念，也就是光在均勻媒質中沿著它傳播的那

條線的概念。所以自古以來，在實驗上檢查產品的平直程度，均以視線為準。但

是，光的直線傳播定律并不是在任何情況下都是適用的。如果我們使光通過很小 的小孔，則

我們只能得到一個輪廓有些模糊的小孔的像。孔越小，像越模糊。當孔

而引起的。

光遇到物體或遇到不同介質的交界面（如從空氣射入水面）

時，光的一部分或全部被表面反射回去，這種現象叫做光的反射，由于反射面的

平坦程度，有單向反射及漫反射之分。人能夠看到物體正是由于物體能把光“反 射”到人的眼睛里，沒有光照明物體，人也就無法看到它。在光的反射過程中所遵守的規律：（1）入射光線、反射

光線與法線（即通過入射點且垂直于入射面的線）同在一平面內，且入射光線和

反射光線在法線的兩側；（2）反射角等于入射角（其中反射角是法線與反射線 的夾角。入射角是入射線與法線的夾角）。在同一條件下，如果光沿原來的反射

線的逆方向射到界面上，這時的反射線一定沿原來的入射線的反方向射出。這一

點謂之為“光的可逆性”。

當一束平行的入射光線射到粗糙的表面時，因面上凹凸不平，所以入射線雖然互相平行，由于各點的法線方向不一致，造成反射光線向不同的

方向無規則地反射，這種反射稱之為“漫反射”或“漫射”。這種反射的光稱為

漫射光。很多物體，如植物、墻壁、衣服等，其表面粗看起來似乎是平滑，但用

放大鏡仔細觀察，就會看到其表面是凹凸不平的，所以本來是平行的太陽光被這

些表面反射后，彌漫地射向不同方向。

鏡的反射面是光滑平坦的面，叫做平面鏡。普通使用的鏡是在

磨平后的玻璃背面涂有銀，或涂錫和水銀的合金。物體放在鏡前時，物體即映于 鏡中而可以看見。這是由于物體反射出的光，于鏡面反射后進入眼睛所致。平面

鏡成像，并非光線實際的集合點，所以叫做虛像。平面鏡所成之像的大小和原物

體相同，其位置和原物體成對稱，因為像和鏡面的距離，恒與物體和鏡面的距離

相等。實物在兩平面鏡間可引起多次反射而形成復像，其在每鏡中除由原物各成

一像小，余皆互以他鏡之像為物而形成。

從海面下伸出海面或從低洼坑道伸出地面，用以窺探海面或地

面上活動的裝置，其構造與普通的望遠鏡相同，唯另加兩個反射鏡使物光經兩次

反射而折向眼中。潛望鏡常用于潛水艇，坑道和坦克內用以觀察敵情。反射面為球面的鏡，可用以成像。球面鏡有凹、凸兩種，反射

面為凹面的稱“凹面鏡”，反射面為凸面的稱“凸面鏡”。連接鏡面頂點與其球

心的直線稱為“主軸”。與主軸相近而與它平行的一束光線，被鏡面反射后，反

射光線（或其延長線）與主軸相交，其交點稱為“焦點”。鏡面頂點和焦點之間 的距離稱為“焦距”，等于球半徑的一半。凹鏡的球心和焦點（實焦點）都在鏡

前，凸鏡的球心和焦點（虛焦點）都在鏡后。凹鏡有使入射光線會聚的作用，所 以也稱“會聚鏡”，凸鏡有使入射光線發散的作用，所以也稱“發散鏡”。在反

射望遠鏡中用到凹鏡；在汽車前面供駕駛員看后面車輛情況的鏡子，則是凸鏡。

又稱“反射本領”。是反射光強度與入射光強度的比值。不同

材料的表面具有不同的反射率，其數值多以百分數表示。同一材料對不同波長的

光可有不同的反射率，這個現象稱為“選擇反射”。所以，凡列舉一材料的反射

率均應注明其波長。例如玻璃對可見光的反射率約為4％，鍺對波長為4微米紅外光的反射率為36％，鋁從紫外光到紅外光的反射率均可達90％左右，金的選擇性很強，在綠光附近的反射率為50％，而在紅外光的反射率可達96％以上。此外，反射率還與反射材料周圍的介質及光的入射角有關。上面談及的均是指光

在各材料與空氣分界面上的反射率，并限于正入射的情況。

對于凸面鏡只能使特成正立、縮小的虛像。如圖4－2（a）所示。由物A點出發的平行于光軸的光線，達到鏡面后將反射，其反射光的延長

線必交球面鏡的焦點F上。而從A射向F的光線被球面反射后將平行于光軸。這

兩條反射線，沒有實交點，只有虛交點A′，也就是說視覺認為這兩條光線是從

A′發出的。物體上的B點發出的沿光軸的光線，即平行于光軸，又過焦點，故 B′為B點的像。在物體AB上的各點，接照前述辦法作圖，其各點的像點都在A′B′上，故A′B′即為AB的像。無論物AB在何處，它所發出的光射到球面鏡后

而反射的光，沒有實交點，因此所成之像必為虛像。由圖中可以看出，物體在軸 的上方，所成的虛像也在軸的上方，故所成之像為正立。無論AB在什么位置，從A點出發的平行于軸的光線一定在AF方向的光線的上方。此兩線的交點A′必比A點更靠近軸，所以像是縮小的。根據上述方法作圖可知凹透鏡成像可有三

種情況：（1）物在凹鏡前二倍焦距以外時，是倒立縮小的實像，見圖4－2（b）。（2）物在兩倍焦距以內，焦點以外時，則成倒立放大的實像，見圖4－2（c）。（3）當物位于焦點以內時，則成正立的放大的虛像，見圖4－2（c）。

凡光線在通過疏密不同介質交界面時改變方向的現象，稱為

光之折射。如圖4－3所示，光線AB由空氣內斜向射至水面，自入射點B起，就向這點的法線EE′偏折而取BM的方向。若在水底置一平面鏡M，使反射線MC再由水中透入空氣，則自入射點C起，離開法線FF′偏折，而取CD的方向。偏折后的光線BM和CD，稱為折射線，折射線和法線所成的角，如?E′BM和?FCD，稱為折射角。由此可知光線由稀的介質入射到密的介質時，折射線常向法線偏向，故折射角常比入射角小；若由密的介質透入稀的介質時，折射線常離法線而偏向，折射角常比入射角大。當光線通過介質的密度在不斷變化時，光線前進的方向也

隨之而改變，因此我們隔著火盆上的熱空氣看對面的東西時，會覺得那東西不停

地在閃動著。這是由于火盆上面的空氣因受熱很快地上升，這部分空氣的密度便

和周圍空氣的密度不同，而且熱度還不斷在變化，當由物體射來的光線通過這樣 的空氣，其折射光線的路徑不斷發生變化，就會使物體變成了閃動的形狀。在炎

夏中午時分，假使躺在地上來看樹木、房屋和人物，它們的輪廓好像是透過一層

流動的水一樣，而且動搖不定。這是因為那時十分炎熱，地面的輻射熱很多，溫

度高，接近地面的空氣受熱，密度變小，因而上升，成為向上流動的氣流，由物

體射來的光線通過這種變動著的氣流折射光線的路徑就不斷改變，因此所看到的

物便都動搖不定。我們在夜里看到天空中恒星的閃動，也是這個道理。大氣里經 常存在著密度不同的氣流和旋渦，當恒星的光線通過這種氣流時，就會使它原來

折射的路徑發生變化，一會兒到左，一會兒到右，恒星是不會閃動的，都是這折

射光造成的。又如太陽位于地平線附近時，光之折射作用尤大。在地平線下的太

陽，陽光從太空（真空）平射至逐漸變化的光密媒質空氣中而發生的折射，光線

傳到地面是一曲線，因為光之折射的關系，太陽看上去就如同剛剛接觸到地平線 的下緣一樣，其實它業已落至地平線以下了。同理，當太陽剛剛還在地平線下的

時候，看上去它已升起來了。所以我們可以說：太陽實際上比我們肉眼所見的要

落得早些而起的遲些；這等于說，光之折射將我們的白天稍稍加長了一點。

在光的折射現象中，確定折射光線方向的定律。當光由第一

媒質（折射率n）射入第二媒質（折射率n）時，在平滑界面上，部分光由第一12 媒質進入第二媒質后即發生折射。實驗指出：（1）折射光線位于入射光線和界 面法線所決定的平面內；（2）折射線和入射線分別在法線的兩側；（3）入射角i的正弦和折射角i′的正弦的比值，對折射率一定的兩種媒質來說是一個常數，即

此定律是幾何光學的基本實驗定律。它適用于均勻的各向同性的媒質。用來 控制光路和用來成象的各種光學儀器，其光路結構原理主要是根據光的折射和反

射定律。此定律也可根據光的波動概念導出，所以它也可應用于無線電波和聲波

等的折射現象。

表示在兩種（各向同性）媒質中光速比值的物理量。光從第一

媒質進入第二媒質時（除垂直入射外），任一入射角的正弦和折射角的正弦之比

對于折射率一定的兩種媒質是一個常數。這常數稱為“第二媒質對第一媒質的相），并等于第一媒質中的 對折射率”。（n12

第一媒質）的折射率稱為這媒質的“絕對折射率”，簡稱“折射率”。由于 光在真空中傳播的速度最大，故其他媒質的折射率都大于1。同一媒質對不同波

長的光，具有不同的折射率；在對可見光為透明的媒質內，折射率常隨波長的減 小而增大，即紅光的折射率最小，紫光的折射率最大。通常所說某物體的折射率

數值多少（例如水為1.33，玻璃按成分不同而為1.5～1.9），是指對鈉黃光（波

-10長5893?10米）而言的。

折射率較大的媒質（光在其中速度較小）與折射率較小的媒質（光在其中速度較大）相比較，前者稱“光密媒質”，后者稱“光疏媒

質”。如水對空氣為光密，空氣對水為光疏。光從光疏媒質進入光密媒質時，要

向接近法線方向折射，即折射角小于入射角；光從光密媒質進入光疏媒質時，要

離開法線折射，即折射角大于入射角。

折射定律的解釋，是利用原始形態的惠更斯原理。這種形式的惠更斯原理，實質上是幾何光學的原理，并且嚴格地說，只有在幾何光

學適用的條件下，也即在光波的波長和波陣面的線度相比為無窮小時，才能夠加

以應用。在這些條件下，它使我們能夠導出幾何光學的折射定律。假設以v表示1 第一種媒質中的光波速度，以v表示第二種媒質中的波速。設i是波陣面的法線2 OC與折射媒質表面的法線OD之間的夾角，見圖4－4。設在時刻t=0，波陣面的C點到達媒質表面時，和點O重合，則在波陣面從A′點到達第二種媒質（點B）所需的時間為τ，次波便從作為中心的點O出發，傳播到某一個距離Of。以點O，O等為中心的各個次波，到指定時刻都傳播到相應的距離，在第二種媒質中12 給出許多元球面波f、f??。按照惠更斯原理，諸元波的包絡面，即平面Bfff，1221指出波陣面的實在位置。顯然

將數值A′B=vτ和Of=vτ代入式中，得到： 12 vτsinr=vτsini 12 或

由此看到，惠更斯的理論解釋了折射定律，并且很容易使折射率的數值和傅 科在150多年以后所做的實驗結果相符。應當注意，在折射現象中，光經過兩種

媒質，所以折射率與兩種媒質有關，當光由媒質?射入媒質?，這個折射率是指 媒質?對媒質?的相對折射率，通常記作

折射率，通常用n來表示，顯然

光由光密（即光在其中傳播速度較小的）媒質射到光疏（即光

在其中傳播速度較大的）媒質的界面時，全部被反射回原媒質內的現象。光由光 密媒質進入光疏媒質時，要離開法線折射，如圖4－5所示。當入射角θ增加到某種情形（圖中的e射線）時，折射線延表面進行，即折射角為90?，該入射角θ稱為臨界角。若入射角大于臨界角，則無折射，全部光線均反回光密媒質c（如圖f、g射線），此現象稱為全反射。當光線由光疏媒質射到光密媒質時，因為光線靠近法線而折射，故這時不會發生全反射。

光從光密媒質射到光疏媒質的界面時，折射角大于入射角。當

折射角為90?時，折射光線沿媒質界面進行，這時的入射角稱為“臨界角”。當入射角大于臨界角時，折射定律就無法適用了，而只會發生全反射現象。光由

水進入空氣的臨界角約為48.5?，從玻璃進入空氣的臨界角，隨玻璃的成分不 同而異，約在30?～42?之間。利用光的折射定律可以求出其臨界角。應注意，這時光是由光密媒質射向光疏

如果光是由某種媒質射向空氣界面，則n是該媒質對空氣的折射率，光導纖維是利用全反射規律而使光沿著彎曲途徑傳播的光學

元件。它是由非常細的玻璃纖維組成束，每束約有幾萬根，其中每根通常都是一 種帶套層的圓柱形透明細絲，直徑約為5～10微米，可用玻璃、石英、塑料等材料在高溫下控制而成。它已被廣泛地應用于光學窺視（傳光、傳像）和光通訊。

光導纖維的結構如圖4－6所示，內層材料選取的折射率大，外層材料的折射率

低，就是要在內外層之間的界面上產生全反射，以保證光的傳輸效率。如圖4－

7所示，單箭頭線表示臨界光線，它在內外層分界面上的入射角等于或小于臨界

角A。若在折射率為n的媒質中入射角大于i的那些光線（以雙箭頭表示），在00n、n分界面上的入射角就小于A，這些光線無法通過纖維而在其中傳播。只有12 在媒質n中其頂角為2i的錐體內的全部光線才能在光學纖維中傳播，根據臨界00 角的定義。

和折射定律 sini=nsini n0011 可得

所以對于一定的n和n，i的值是固定的，纖維所容許傳播的光線所占的范120 圍是一定的。要使更大范圍內的光束能在光學纖維中傳播，應該選擇n和n的12 差值較大的材料。通常把nsini的值叫做光導纖維的數值孔徑。光導纖維可用00于潛望鏡和內窺視系統，它可以窺視人眼所觀察不到的或有損于人體健康的地

方。國防上可以制成各種坦克、飛機或艦艇上的潛望鏡。醫學上可以用來制作胃、食道、膀胱等內腔部位進行檢查和依斷的各種醫用窺鏡。如果配有大功率激光傳

輸的光學纖維，還可進行內腔激光治療。由于光纖通訊與電通訊相比具有許多優

點，諸如抗電磁干擾性強、頻帶寬和保密性好、通訊容量大，設備輕巧，制取纖

維的二氧化硅的資源又十分豐富。近年來已有數百條光纖通訊線路在世界各地進

行試驗或正式運動。光導纖維的問世，為光能的應用開辟了更廣闊的天地。透明材料（如玻璃、水晶等）做成的多面體。在光學儀器中應用

很廣。棱鏡按其性質和用途可分為若干種。例如，在光譜儀器中把復合光分解為

光譜的“色散棱鏡”，較常用的是等邊三棱鏡；在潛望鏡、雙目望遠鏡等儀器中

改變光的進行方向，從而調整其成像位置的稱“全反射棱鏡”，一般都采用直角

棱鏡。

光通過一三棱鏡的偏向角等于入射角與出射角之和減去

棱鏡的折射棱角。如圖4－8所示。a為棱鏡的折射棱角，當光束SB入射到棱鏡時，經連續發生兩次折射，出射光線（CS′和入射光線SB之間的夾角，叫做偏向角“δ”。由圖不難看出：

-i）+（i′-i′）=（i+i′）-（i+i′）=i+i′-a δ=（i1212112211 如果保持入射線的方向不變，而將棱鏡繞垂直于圖面的軸線旋轉，則偏向角 必然隨之而改變。可以證明，如果入射角等于出射角時，即在i=i′時，則偏11向角最小，稱為最小偏向角。用δ表示。min δ=2i-α min1 由此可得

又當i=i′時，折射角 12

利用這兩個特殊的入射角和折射角，可以計算棱鏡材料的折射率

利用最小偏向角測折射率，非常方便也很精確。折射棱角a很小的棱鏡，光線通過它時產生的偏向角可按下列方法推出。即由折射定律可知 sini＝nsini，sinii′=nsini′。1212 在折射棱角a很小和近軸光線的條件下，?BEC的底角i，i′很小，所以 22 i?ni,i′?ni′ 1212 則有

δ=ni+ni′-α=n(i+i′)-α=(n-1)α 2222 運用這個近似關系，可以推導出薄透鏡的物像關系式。復色光被分解為單色光，而形成光譜的現象，稱之為“色散”。

色散可通過棱鏡或光柵等作為“色散系統”的儀器來實現。例如，白色光線射于

三棱鏡，則通過棱鏡之后，光線被分散為由不同顏色光組成的色彩光譜。如一細

束陽光可被棱鏡分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色光。這是由于復色光中的

各種色光的折射率不相同。當它們通過棱鏡時，傳播方向有不同程度的偏折，因

而在離開棱鏡則便各自分散。折射率較大的紫色光偏向大，而折射率較小的紅光

則偏向小。由于各色光的折射率有大小之分（這是由于各色光的頻率不同造成的，頻率高的折射率大），所以非單色光才會發生色散。當一白光由空氣射入水或玻

璃時，折射后分成各色的光，若玻璃為兩面平行的平板，則光從玻璃射出的線平行，不同色光再行重疊，并未發現色散現象。若光通過棱鏡，不同色光之出射線

不平行，色散現象較易觀察。

復色光經過色散系統（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色

光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案。例如，太陽光經過三棱鏡后形成按

紅、橙、黃、綠、青、藍、紫次序連續分布的彩色光譜。紅色到紫色，相應于波

10長由7，700～3800?10米的區域，是為人眼能感覺的可見部分。紅端之外為波長更長的紅外光，紫端之外則為波長更短的紫外光，都不能為肉眼所覺察，但能

用儀器記錄。因此，按波長區域不同，光譜可分為紅外光譜，可見光譜和紫外光

譜；按產生的本質不同，可分為原子光譜、分子光譜；按產生的方式不同，可分

為發射光譜、吸收光譜和散射光譜；按光譜表觀形態不同，可分為線光譜、帶光

譜和連續光譜。光譜的研究已成為一門專門的學科，即光譜學。光譜學是研究原

子和分子結構的重要學科。

光學儀器的一種重要元件，由透明物質（如玻璃、水晶等）制成。

光線通過透鏡折射后可以成像。按照其形狀或成像要求的不同，透鏡可分為許多

種類，如兩面都磨成球面，或一面是球面另一面是平面的稱“球面透鏡”；兩面 都磨成圓柱面，或一面是圓柱面一面是平面的稱“柱面透鏡”。透鏡一般可分為

凸透鏡和凹透鏡兩大類。

凸透鏡是中央部分較厚的透鏡。凸透鏡分為雙凸、平凸和凹凸

（或正彎月形）等形式，如圖4－9所示。薄凸透鏡有會聚作用故又稱聚光透鏡，較厚的凸透鏡則有望遠、發散或會聚等作用，這與透鏡的厚度有關。將平行光線

（如陽光）平行于軸（凸透鏡兩個球面的球心的連線稱為此透鏡的主光軸）射入

凸透鏡，光在透鏡的兩面經過兩次折射后，集中在軸上的一點，此點叫做凸透鏡 的焦點（記號為F），凸透鏡在鏡的兩側各有一焦點，如為薄透鏡時，此兩焦點

至透鏡中心的距離大致相等。凸透鏡之焦距如圖4－10所示，是指焦點到透鏡中心的距離，通常以f表示。凸透鏡球面半徑越小，焦距越短，凸透鏡可用于放大

鏡、老花眼及遠視的人戴的眼鏡、顯微鏡、望遠鏡的透鏡等。

兩側面均為球面或一側是球面另一側是平面的透明體，中間部

分較薄，稱為四透鏡。分為雙凹、平凹及凸凹透鏡三種，如圖4－11a所示之A、H，稱為主軸，其中央之點O稱B、C。其兩面曲率中心之連線圖4－11b所示之G1 為光心。通過光心的光線，無論來自何方均不折射。圖4－11c表示，平行主軸之光束，照于凹透鏡上折射后向四方發散，逆其發散方向的延長線，則均會于與

光源同側之一點F，其折射光線恰如從F點發出，此點稱為虛焦點。在透鏡兩側

各有一個。凹透鏡又稱為發散透鏡。四透鏡的焦距，如圖4-12所示。是指由焦點到透鏡中心的距離。透鏡的球面曲率半徑越大其焦距越長，如為薄透鏡，則其

兩側之焦距相等。

人們能感覺到物，是由于物體各點所反射的光，經過人眼這個

光學系統（相當一個焦距可調的凸透鏡）成像于視網膜上，再由視神經傳到大腦

而造成視覺，從光學的角度講，物點是發散光束的頂點，所以物就是由這些發散

光束頂點的組合而成。如果光束經不同媒質的界面反射或折射以后，光線的方向

雖然改變了，但反射光線或折射光線所構成的光束仍然有一個頂點“P′”，這 個頂點P′就叫做像點，在這種情況下，每個像點和物點間建立了一一對應的關

系。這些像點的組合就是像。如果光束中各光線確實在某點會聚，那么該會聚光

束的頂點叫做實像；如果光束經界面反射或折射后是發散的，但這些光線反向延

長后，能夠找到光束的頂點，則該發散發束的頂點叫做虛像。物和像則是這些光

束頂點的集合。在空間中的物，它向所有方向反光，眼睛無論在何處，只要找對

方向都可以看到物。像則不然，因為平面鏡或透鏡的反射或折射的光束不是向所

有方向，光束總是局限在一定的范圍內。如果人眼恰處于光束所在的范圍內，便

可看到像，但是當眼睛位于反射或折射光束的范圍之外時，眼睛是看不到像的。

因為這些光束不能進入人的眼睛。

物體發出的光線經過光具組（如反射鏡、透鏡組等）反射

或折射后，重新會聚而造成的與原物相似的圖景，實像可以顯映在屏幕上，能使

照像底片感光。攝影或放映電影都必須利用實像。若物體發出的光線經光具組反

射或折射后，如為發散光線，則它們反向的延長線（虛光線）相交時所形成的像 稱為“虛像”。虛像不能顯映在屏幕上，也不能使照像底片感光，只能用人眼觀

察到。在放大鏡、顯微鏡、望遠鏡等光學儀器中觀察到的像都是虛像。在光具組中，常按不同的要求使幾個透鏡來達到成像的目的，以

兩個透鏡為例，如果第一個透鏡所形成的實像位于第二個透鏡的后面，則對第二

個透鏡來說，這像就稱為“虛物”。

在研究透鏡成象光學中有幾個重要的特定名稱。它們

是：（1）主光軸它是連接透鏡兩球面曲率中心的直線。（2）副光軸——通過光

心的任意直線。所以副光軸有無數條。（3）光心——透鏡主軸上的一個特殊點。通過光心的光線，其出射方向和入射方向互相平行，但可有旁向的平行位移，對

薄透鏡一般認為其方向不變。薄透鏡的中心可以近似地當作光心，射向薄透鏡中

心的光線可認為無折射地通過。（4）焦點——平行光束經透鏡折射或曲面鏡反射后的交點。有實焦點和虛焦點兩類。薄透鏡兩邊的焦點對稱。而一般透鏡的第

一焦點（物方焦點）和第二焦點（像方焦點）不對稱。（5）主焦點——平行于

透鏡的主光軸的平行光束，經反射或折射后和主光軸相交的點。（6）副焦點—

—平行于跟主光軸夾角不大的副光軸的光線，經透鏡折射后會聚（或發散光線的 反方向的延長線）于該副光軸上的一點。副焦點都處在焦平面上。（7）焦平面——通過透鏡（球面鏡）主焦點并和主光軸垂直的平面。和主光軸成任意角度的

平行光線經折射后相交的交點，均處于焦平面上。（8）焦距——薄透鏡的中心

到焦點之間的距離。（9）焦度——透鏡或透鏡組焦距的倒數。會聚透鏡的焦度

規定為正，發散透鏡的焦度規定為負。如果焦距用米作單位時，焦度的單位叫做

屈光度；而眼鏡的焦度通常用度作為單位，1度為1屈光度的百分之一。

描述物像位置以及它們和透鏡或透鏡組的特征量之一（焦距）

之間的關系式。對一個薄凸透鏡可以認為是由底面朝向透鏡中央的許多棱鏡的集

合，而這些棱鏡的頂角是很小的，對于頂角很小的棱鏡來說，如果構成棱鏡的材

料的折射率為n，頂角為A，那么在近軸光線的條件下，其偏向角δ為常數（n-1）A。當棱鏡給定后，近軸光線的偏向角δ是不變的。我們可以利用此關系來推導

薄透鏡的物像公式。如圖4－13a所示，設PM為平行光束所任一條光線在M點入射，而OM=h，則出射光線MF′必通過透鏡的焦點F′，OF′=f，f為透鏡的焦距。根據近軸光線的條件，即f>>h，偏向角近似為

當主軸的物點P發出的任一近軸光線PM入射到透鏡的M點時，圖4－13b所示，在理想成像的條件下，出射光線MP′和主軸的交點P′為像點，此時偏向角也應相同。令物距OP=u，像距OP′=v，由圖b中的幾何關系可知

ξ+η=δ

在近軸光線的條件下，可得

該式叫做高斯公式。平面鏡、球面鏡和薄透鏡所形成的像的位置，可以根據 物像關系式求得，最基本的公式有兩個，即高斯公式

其中u是物距——代表物到透鏡（或面鏡）的距離；v是像距——代表像到透鏡（或面鏡）的距離；f為透鏡的焦距。K是像的橫向放大率。此二關系式對三種光具組都適用。下表表明在三種透鏡中應用情況。

光

具 透鏡 球面鏡平面鏡 公式

焦距 f??

物像公式

橫向放大率 用物像公式進行計算時，應注意關系式中的各項都是代數值。

因為只有取代數值，公式才具有普遍意義，否則會造成、凹球面、凸球面、凹透

鏡、凸透鏡的物像公式各不相同，把問題變得復雜。各特定光學量的符號的采用

法則是很重要的，若符號選錯，則所有的計算全都錯了。下面就其應用法則歸納

為：（1）所有距離從光心（或頂點）量起；（2）對于實像v取正值，對于虛像v取負值；對于實物u取正值，對于虛物u取負值；（3）凡已知量，其數值前必須冠以符號；凡未知量，必須根據求出的符號來確定物像的性質和位置；（4）

會聚透鏡（或凹面鏡）的焦距為正（實焦點）；發散透鏡（或凸面鏡）的焦距為

負（虛焦點）。物像公式，正確運用符號法則，只要知道物體離開透鏡（或球面

鏡）光心的距離u和焦距f，就可以求出成像的位置、像的性質和像的大小。應

該注意的是，在球面反射和薄透鏡折射時，物像公式只有在近軸光線，近軸物的

情況下才適用。因此成像關系式是近似的。

表示物體與第一焦點的距離，而X表示光像與第二焦點 設X12的距離，由圖4－14可以看出，?CC′F～?MOF和?M′OF～?AA′F放大率 2211

即 XX=ff 1212 對于薄透鏡來講，f=f=f，所以有 12 XX=f 122

著，運用時也較方便。

各種透鏡成像作圖中，應注意，實際光線用實線畫出，在每一條光線上還必須標明箭頭，以示光的傳播方向。其輔助線，引伸線通常不

用實線而采用虛線，以免和實際光線混淆。最后，光線作圖法的目的是確定像的

位置、性質和大小，因此作圖可在方格紙上完成，圖中標明比例和所有已知量及 待定量的數值。即稱為按比例成像作圖法。（1）凸透鏡成像作圖——這一作圖

主要是三條光線。如圖4－15所示。其中PF為通過主焦點的入射線經透鏡折射

后平行于主軸。而POP′為通過光心的入射線不改變方向。由P點出發平行于主光軸的入射線折射后通過主焦點。此三條線必交于同一點P′，P′便是P點的像。為了簡便只要用其中的兩條線便可確定像點的位置；（2）凹透鏡成像作圖的三條光線，如圖4－16所示。平行于主軸的入射線，經透鏡折射后的出射線的

反向延長線通過和物同側的虛主焦點。由P點射向透鏡另一側虛主焦點的入射 線，折射后平行于主光軸。由P點射出通過光心的線不改變方向。其前兩條線的

反向延長線與第三條線均交于P′點。P′點便是P點的虛像；（3）凸透鏡的任意光線作圖法。如果物點P在主軸上，則上述的三條光線便合為一條而無法作圖，此時像的位置可利用副光軸和焦平面的性質來確定。利用第一焦平面的作圖方 法，如圖4－17所示。經P點作一條入射光線PO，它沿著主軸方向穿過透鏡方 向不變；經P點作一條任意光線PA，交透鏡于A點并與第一焦平面交于B點；作副光軸BO，過A點作和BO平行的線AP′，交主光軸的P′點，P′便是P的像點。同理，也可用第二焦平面作圖，其作法如圖4－18所示。作任意光線PA交透鏡于A點；過透鏡中心O作平行于PA的輔助線OB′，與第二焦平面交于B′點；連接A、B′兩點且延長，與沿主軸的光線交于P′點，則P′點即為所求也像：（4）凹透鏡的任意光線作圖法。利用凹透鏡的副光軸和焦平面作圖，如圖

4－19所示。經P點作任意光線PA，交透鏡于A點，經透鏡的中心O作平行于PA的副光軸OB′，和第二焦平面交于B′點；連接A、B′兩點，它和延主軸的 光線交于P′，則P′點為所求之像點。

從圖4－20可以看出，隨著物和焦點之間的相對位置 的不同，成像的情況也不同。大致可分為6種情況說明，如圖4－20所示。（1）物位于無窮遠時，則像距v=f，成實像，放大率K=0。可用于測定焦距；（2）當?＞u＞2f時，像的位置f＜v＜2f，這時是倒立實像，放大率K＜1。眼睛、照像機均相當于這種成像關系；（3）當u=2f時，v=2f，這時是倒立實像，放大率

K=1，即物像的大小相等；（4）2f＞u＞f時，2f＜v＜?，倒立實像，K＞1，放大像。幻燈機，顯微鏡，均是這種成像關系；（5）u=f時，則v??這時無像，這時K??放大，探照燈是這種光學關系；（6）f＞u＞0時，v＜O，正立虛像，K＞1放大，放大鏡是這種光學成像關系。圖中的2、3、4、5、6各種情況，分別代表（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）所說之情況。

凹透鏡所成的像，無論物體的位置在焦點以外還是

焦點以內，它經凹透鏡折射后，所成的像，都是縮小的，正立的虛像。像和物在

透鏡的同側。因此它的成像規律，不同于凸透鏡那樣復雜。如圖4－21所示。

人的眼睛是一個光學系統。它的構造可以簡化為一個單凸透鏡和

一個屏幕。從物體的兩端反射出的兩條光線對眼睛的光心點所張的角，叫做視角。

物體越小或距離越遠，視角越小。觀察很小或很遠的物體，常使用放大鏡、顯微

鏡和望遠鏡等以增大射角。不是在任何距離處的物體人眼都能看清楚。眼睛能看

清物體必要的條件是：（1）物體的像不但要落在視網膜上，并用要落在黃斑中

央的中央凹處；（2）像應該有一定的照度。進入眼中的光通量是由瞳孔自行調

節，達到一定照度。這一照度是在視網膜透應機能范圍之內；（3）視角一般不

能小于1′（長1厘米的線段在距眼睛34米處的視角約為1′）。由眼睛的調節作用（或稱調焦）所能看得清楚的最遠和最近兩點，分別叫做遠點和近點。正常 眼睛遠點在無窮遠處，近點在10厘米到15厘米處。在適當的照度下，物體離開眼睛25厘米時，在視網膜上造成的像最清晰，并且看起來不易感到疲勞，這個

距離叫做明視距離。人的眼睛就是一個透鏡系統。外界的景物通過成像在視網膜

上而被視覺神經所感受。

遠處物體無法成像于視網膜上，而在網膜前，這時要帶近視鏡。

這是由于近視眼的晶狀體比正常眼睛凸一些，或視網膜距晶狀體的距離過遠，所

以造成遠處的平行光不能會聚在視網膜上，而會聚在視網膜之前，這說明近視眼 的遠點不在遠窮遠處。故不能看清遠處物體，只能看清一定距離內的物體。為了

矯正近視眼，應采用凹透鏡制成的眼鏡，使光通過眼鏡先發散，再通過晶狀體會

聚，使會聚點后移到視網膜上。

無窮遠處的物體所成的像只能在視網膜后面。這是由于視網膜到

晶狀體的距離過近，或晶狀體比正常人眼扁平所致。遠視眼的近點比正常人眼遠，所以視力范圍比正常人眼小。矯正遠視眼的方法是用凸透鏡做眼鏡，使光線在進

入眼睛之前，先由凸透鏡會聚，以達到使會聚點移前而達到視網膜上。用以矯正視力或保護眼睛的簡單光學器件。由鏡片（一般為透鏡）和鏡架組成。矯正視力的眼鏡可分為三種：（1）近視眼鏡：由凹透鏡制成，能把原先落在視網膜前的像移后到視網膜上；（2）遠視眼鏡和老光眼鏡：由凸透鏡制成，能把原先落在視網膜后的像移前到視網膜上；（3）散光眼鏡：由球柱面透鏡或復曲面透鏡制成，以矯正由于角膜各方向曲率不同所引起的像散。保護

眼睛用的眼鏡有防護鏡、防風鏡和太陽鏡等，用以保護眼睛免受灼傷、暴風襲擊、強烈紫達線輻射和紅外線的刺激，以及防止強光刺激等。

顯微鏡為一使微小物構成放大虛像的透鏡系統。最簡單之顯微鏡

為單顯微鏡，系一收斂透鏡，俗稱放大鏡。通常我們所說的顯微鏡是指復顯微鏡 的簡稱，用以觀察極微小的物體。顯微鏡是1610年伽利略發明的。其最簡單的型式只包括兩個凸透鏡，用一個直立金屬圓筒，上下兩端各裝一個焦距極短的物

鏡和一個焦距較長的目鏡，為了消除像差，實際上二透鏡均已各由數個透鏡組合

所取代。圖4-22是以基本的單片透鏡構造說明顯微鏡的工作原理。物體置于物

鏡焦點稍外，得到倒立放大實像于目鏡的焦點稍內處；再經目鏡折射產生放大虛

像于明視距離處。顯微鏡的放大率為m，在明視距離D處的虛像對眼睛所張的視角為β，并設物體置于D距離處，直接看物的視角為α，則β與α之比值等于顯

微鏡的放大率即m=β/α。求得虛像與物體的大小之比，則可求得顯

顯微鏡的放大率是目鏡與物鏡放大率的乘積

因物鏡的放大率，通常為5～40倍，目鏡約為3～20倍，所以一般顯微鏡的放大率最大約為800倍。如果選用放大倍數更大的物鏡時，必須在物體與物鏡之

間，充以折射率與透鏡接近的油，這種鏡頭叫做油浸鏡頭，利用油浸鏡頭可使放

大倍數達2000倍。最近又發明一種激光斷層共軛掃描顯微鏡，使放大倍數又大

大地提高。

用以觀測遠處物體或天體的光學儀器。通常的望遠鏡是由兩組膠

合透鏡構成。每一組膠合透鏡都相當一個凸透鏡。簡單的一種結構：可于一圓筒

一端裝一個物鏡——焦距較長的凸透鏡，另一端插入一較小的圓筒，可以自由在

大筒中前后移動，小圓筒外端裝一目鏡——焦距較短的凸透鏡，也可作成雙筒（即

由兩個裝有物鏡和目鏡的圓筒構成）。兩目鏡間的距離可以調節，兩筒可使兩眼

同時觀察，從而獲得立體感。從遠處物體來的光，經物鏡折射后造成物體的倒像，將小圓筒伸縮調節，而由目鏡將物鏡所成的像加以放大，以便觀察。用以觀察地 上遠處物體的望遠鏡有伽利略望遠鏡、觀劇鏡、棱鏡望遠鏡等類型，均成正像。

用以觀測天體的望遠鏡稱天文望遠鏡，一般均成倒像。按光在望遠鏡中的路線分，又有折射望遠鏡（亦稱開普勒望遠鏡）、反射望遠鏡、雙筒望遠鏡等幾種。具有

正像透鏡裝置的折射望遠鏡亦稱“地上望遠鏡”。本世紀30年代發現天體也發

出無線電輻射。用以接收和測量天體無線電輻射的儀器稱為射電望遠鏡，也是天

文望遠鏡的一種。由于開普勒望遠鏡的鏡筒較長，攜帶不便；故往往在物鏡和目

鏡之間加裝一對全反射棱鏡，使入射光線在鏡筒中經過多次全反射，以減短筒的

長度，同時可以將物鏡所成的倒像再倒轉過來而成正像。這種裝置便稱為棱鏡望

遠鏡，它的視野較大。棱鏡望遠鏡常用于航海、軍事窺測和野外觀察等。開普勒

后，在其焦望遠鏡的原理如圖4-23所示。從遠處物體射來的光線，經過物鏡L1 點以外距焦點很近的地方成一倒立縮小的實像。調節目鏡L與物鏡L的距離使21 L的前焦點和物鏡的焦點重合，所以實像的A′B′位于L和它的焦點之間，但22 距焦點很近的地方，L以A′B′為物，形成放大的虛像A″B″。這時觀測者所2 看到的就是A″B″。A″B″的視角遠大于直接用眼睛看遠處物體的視角，因此 從望遠鏡中看到的物體使人覺得離自己既近而又清楚。對于觀測天體的天文望遠

鏡，它的聚光本領很大，能看到很遠的天體。天文望遠鏡分為折射式、反射式和

折反射式三種。由物鏡造成的天體實像可用目鏡觀測，天文望遠鏡的口徑應盡量

大一些，這樣進入鏡中的光就多一些，所成的像就越明亮清晰，我國最大的天文

望遠鏡口徑為2.16米。望遠鏡種類很多，但基本原理還是光的折射和反射。用

其觀察遠物時，使視角變大。

又名“無線電望遠鏡”。專門用來接收由天體發來的無線電

波的儀器。主要由天線和接收機兩部分構成。天線用來接收天體發射的無線電波，相當于光學望遠鏡的物鏡。天線類型很多。由許多作為半波振子的金屬棒構成的，稱為“振子天線”，專用于米波波段無線電波的接收。有的天線則成拋物面形狀，稱為“拋物面天線”，無線電波的探測器就裝在拋物面的焦點上。它主要用于分

米、厘米和毫米波波段無線電波的接收。天線和接收機用傳輸線聯接起來。接收

機先把由天線傳來的高頻信號放大，然后加以檢濾，再把高頻電信號變成可用儀

表測量和記錄的低頻電信號，或變成直接進行照相的圖形。因為無線電波可以穿

過云霧和塵埃，因此用射電望遠鏡能不分睛雨晝夜連續進行觀測；對于那些難以

用光學望遠鏡觀測的天體和宇宙空間，利用射電望遠鏡便可進行探測研究。關于光的本性的一種學說。第一位提出光的波動說的是與牛

頓同時代的荷蘭人惠更斯。他在17世紀創立了光的波動學說，與光的微粒學說相對立。他認為光是一種波動，由發光體引起，和聲一樣依靠媒質來傳播。這種

學說直到19世紀初當光的干涉和衍射現象被發現后才得到廣泛承認。19世紀后

期，在電磁學的發展中又確定了光實際上是一種電磁波，并不是同聲波一樣的機

械波。19世紀60年代英國物理學家麥克斯韋在理論研究中發現，振動著的電荷

或迅速交變的電流都會激起其周圍的電磁場，并以波的形式向外傳播，其傳播速 度與光速相同，從而提出光是電磁波的假說。1888年德國物理學家赫茲用實驗證明了電磁波的存在，從此奠定了光的電磁理論。這一理論能夠說明光的傳播、干射、衍射、散射、偏振等許多現象。但不能解釋光與物質相互作用中的能量量

子化轉換的性質，所以還需要近代的量子理論來補充。

關于光的本性的一種學說。17世紀曾為牛頓等所提倡。這種學說認為光由光源發出的微粒、它從光源沿直線行進至被照物，因此可以想像

為一束由發光體射向被照物的高速微粒。這學說很直觀地解釋了光的直進及反射

折射等現象，曾被普遍接受；直到19世紀初光的干涉等現象發現后，才被波動

說所推翻。但在19世紀末和20世紀初，許多有關光和物質相互作用的現象，如

光電效應，不能用波動說來解釋，這促使愛因斯坦于1905年提出光是一種具有粒子性的實物（光子）。但這觀念并不摒棄光具有波動性質。這種關于光的波粒

二象性的認識，是量子理論的基礎。

光量子之簡稱。基本粒子的一種，光子不顯電性。光子的能量是量

子化的。1905年愛因斯坦在解釋光電效應時首次指出了光子的存在，從而揭示 了光的波粒二象性。真空中的光子在不同參照系中都以光速c運動。如果光的頻

2率為γ，則光子的能量為hγ（h為普朗克常數，動量為hγ/c，質量為hγ/c）。

但其靜止質量為零。

發出具有相同頻率、相同振動方向和恒定相位差的兩列（或兩列以 上）波在空間迭加時，在交迭區的不同地點加強或減弱的現象。這是波的一個重

要特性。波在交迭的區域中，有些地方振動被加強，有些地方振動被減弱，形成

明暗相間的“干涉圖樣”。水波的干涉是常見的現象。單色光波的干涉圖樣是明

暗相間的條紋，復色光產生彩色條紋。利用光的干涉，可以精確地進行長度測量，以及檢查表面的平滑程度等。利用電磁波的干涉，可作成定向發射天線。顯然聲

波也可產生干涉。

兩列或多列光波在空間相遇時相互迭加，在某些區域始終加強，在另一些區域則始終削弱，形成穩定的強弱分布的現象。在一般的情況下兩個獨

立光源向空間的一個區域發出光波時不能發生干涉。不發生干涉的兩個光源，只

說明它們沒有發出相干涉。通常的獨立光源不相干的原因是：光的輻射一般是由

原子的外層電子激發后自動回到正常狀態以光的形式把能量放出所形成的。由于

輻射原子的能量損失，加上和周圍原子的相互作用，個別原子的輻射過程是雜亂

無章而且常常中斷，持續時間甚短，即使在極度稀薄的氣體發光情況下，和周圍-3原子的相互作用已減至最弱，而單個原子輻射的持續時間也不超過10秒。當某

個原子輻射中斷后，它自身或者其他的原子又受到激發重新輻射，但卻具有新的

初位相。這就是說，原子輻射的光波并不是一列連續不斷、振幅和頻率都不隨時

間變化的簡諧波，即不是理想的單色光。此外，不同原子輻射的光波波列的初相

位之間也是沒有一定關系和規律。這些斷續、或長或短、初位相不規則的波列的

總體，構成了非相干的光波。由于原子輻射的這種復雜性，在不同瞬時迭加所得 的干涉圖樣變化得如此之快和如此地不規則，以致這種短暫的干涉現象無法觀 測。從微觀上看，光子只能自己和自己干涉，不同的光子是不相干的；但是從宏

觀上看，干涉現象卻是大量光子各自干涉結果的統計平均效應。故實際的光的干

涉對光源的要求也不是那么苛刻。由于60年代激光的問世，使光源的相干性大大提高，同時快速光電探測儀器的出現，探測儀器的時間響應常數縮短，以至可

-3－9～10以觀察到兩個獨立光源的干涉現象。1963年瑪格亞和慢德用時間常數10 秒的變象管拍攝了兩個獨立的紅寶石激光器發出的激光的干涉條紋。可目視分辨 的干涉條紋有23條。對于普通的光源，保證相位差恒定是實現相干的關鍵。為

了解決發光機制中初相位的無規則迅速變化和干涉條紋的形成要求相位差恒定 的矛盾，可采用把同一原子所發出的光波分解成兩列或幾列，使各分光束經過不

同的光程，然后相遇，這樣，盡管原始光源的初相位頻繁變化，分光束之間仍然

可能有恒定的相位差，因此可以產生干涉現象。通常用兩種方法實現這種分解：

（1）分波陣面法——將光源的波陣面分為兩部分，使之分別通過兩個光具組，經反射、折射或衍射后交迭起來，在一定區域形成干涉。由于波陣面上任何一部

分都可以看成為新光源，而且同一波陣面的各個部分有相同的位相，所以這些被

分離出來的部分波陣面可作為初相位相同的光源，不論點光源的位相改變得如何

快，這些光源的初相位差卻是恒定的，楊氏雙縫、菲涅耳雙面鏡和洛埃鏡等都是

產生這類分波陣面的干涉裝置。（2）分振幅法——當一光束投射到兩種透明媒質的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。之方法叫做分振幅法。最簡單 的分振幅干涉裝置是薄膜，它是利用薄膜的上下表面對入射光反復地反射，由這 些反射光波在空間相遇而形成的干涉現象。由于薄膜的上下表面的反射光來自同

一入射光的兩部分，只是經歷不同的路徑而有恒定的相位差，因此它們是相干光。

另一種重要的分振幅干涉裝置，是萬克耳孫干涉儀。光的干涉現象是光的波動性 的最直接、最有力的實驗證據。光的干涉現象是牛頓微粒模型根本無法解釋的，只有用波動說才能圓滿地解釋這一現象。

楊格于1801年設法穩定兩光源之相位差，首次做出可見光之干涉實驗，并由此求出可見光波之波長。其方法是，使太陽光通過一擋板上

之小孔使成單一光源，再使此單一光源射到另一擋板上，此板上有兩相隔很近的

小孔，且各與單光源等距離，則此兩同相位之兩光源在屏幕上形成干涉條紋。因

為通過第二擋板上兩小孔之光因來自同一光源，故其波長相等，并且維持一定的 相位關系（一般均維持同相），因而能在屏幕上形成固定不變的干涉條紋。若X 為屏幕上某一明（或暗）條紋與中心點O的距離，D為雙孔所在面與屏幕之間的，S間之距離（通常小于1毫米），λ為S光源及副光源距離，2a為兩針孔S12 S、S所發出的光之波長。兩光源發出的兩列光源必然在空間相迭加，在傳播中12 兩波各有各的波峰和波谷。當兩列波的波峰和波峰或波谷和波谷相重疊之點必為

亮點。這些亮點至S與S的光程差必為波長λ的整數倍。在兩列波的波峰與波12 谷相重疊之點必為暗點，這些暗點至S與 1

涉條紋如圖4-24所示，它是以P點為對稱點而明暗相間的條紋。P點處的00 中央條紋是明條紋。當用不同的單色光源作實驗時，各明暗條紋的間距并不相同。

波長較短的單色光如紫光，條紋較密；波長較長的單色光如紅光，條紋較稀。另

外，如果用白光作實驗，在屏幕上只有中央條紋是白色的。在中央白色條紋的兩

側，由于各單色光的明暗條紋的位置不同，形成由紫而紅的彩色條紋。干涉明暗

第三篇：光學鏡頭落灰現象及改善對策

淺析光學儀器鏡頭落灰現象及改善對策

張 翔

光學儀器鏡頭就象人眼睛一樣，它的清潔度直接影響成像質量。在裝校作業、部品、成品周轉等過程中會發生鏡頭內部落灰現象，返工率高，影響光學鏡頭的制造效率及品質。長期以來一直未得到有效解決，市場投訴對企業、品牌會造成不良的影響。現以照相機鏡頭為例對落灰現象進行檢討與對策： a)光欄前后的鏡片表面； b)鏡片與鏡片之間的鏡片表面； c)鏡頭的外露鏡片表面；

通過作業現場不良品統計及檢討發現，光欄前后的鏡片表面落灰現象約占60%，鏡片與鏡片之間的空氣夾層落灰現象約占20%，鏡組的外露鏡片表面落灰現象約占20%。

本文簡要對落灰的成因及對落灰現象的改善方面談點認識。

一、落灰現象的成因

通過觀察和研究，我們可以把造成落灰的原因作如下歸納： 1．零部件污染

a)零部件廢屑、油污等清除清洗工藝不合理，清洗設施不完善，作業不良，導致零部件不潔及二次污染。如鏡筒、鏡座等殘留的油污，易粘染廢屑、灰塵等。

b)零部件的周轉箱、盒，包裝紙張、塑料薄膜、吸塑包裝等設計不合理，材料不良；未按規定要求清潔、更換，會二次污染零部件。如光欄葉片用紙包裝，表面吸附許多細小紙纖維灰塵等；

c)零部件周轉、點數、存庫、發放等未按規定要求作業，造成零件二次污染。2．零部件表層脫落

a)照相機鏡頭的一些零件(光欄葉片、動片、定片等)為滿足裝校上藝要求，進行鍍四氟乙烯或其他材料的表面處理。由于電泳設施、材料、工藝、零件表面粗糙度等因素，鍍層的附著牢固性不穩定。隨著相關件間的運動磨擦，鍍層發生不同程度的脫落；特別是零件的棱邊尖角處鍍層堆積較厚，附著牢固性下降，裝校配合間隙減小，更會引起較多的鍍層磨損脫落。

b)光學儀器鏡頭的很多零件(鏡片外圓、消光欄等)表面必需進行消光處理，消光涂層的牢固性不穩定，同樣會在后工程作業及使用中發生不同程度脫落，從而污染鏡片。

c)零部件由于設計、材料、機械、工裝、熱處理、表面處理工藝等存在不同程度的缺陷和不良，引起零部件制造精度不良(各種變形、寸法超差、表面潔度低等)，裝校時相關件配合不良，發生擠壓磨損導致零部件表層材料、涂鍍層脫落。零部件表層脫落是造成鏡頭落灰的主要原因之一。3．零件毛刺、銳邊等經摩擦、震動脫落

a)如一些金工件(鏡片隔圈，鏡筒內肩胛的端面等)裝校設計要求清角，加工不可避免殘存細小毛刺，飛邊，后工程作業脫落，特別是一些極細小的毛刺不易被發現，通過鏡片的放大效應顯而易見；是造成前述b現象的主要原因之一。

b)如有些光學件為滿足設計要求，棱邊倒角小，甚至清角，形成的銳棱邊在裝校或者使用過程中，受力、受震棱邊尖角易崩塌，產生細小碎屑，我們通過顯微鏡觀察，可見許多細碎的霧狀顆粒；是造成前述b現象的主要原因之一。

c)鏡筒與鏡座有的是螺紋連結，在裝校、調試。修理等過程中螺紋副反復工作，相互磨擦引起螺紋副材料表層及裝飾層脫落；是造成前述a不良現象的主要原因之一。

d)鏡頭的一些主體零部件采用壓鑄工件，由于材料、工藝不良產生砂眼，精加工后外露，裝校過程中會有鑄造雜質微粒、粉末經振動散落而污染鏡片，是造成前述a不良現象的主要原因之一。

4．作業環境

a)防塵除塵設施不良，配置不完善，使用不當，故障隱患，保養不良等，不同程度地影響和削弱防塵除塵設施的功效。大量存在的靜電灰塵，導致鏡頭裝校在作業全過程中一直受到污染。b)一些零件的返工返修在裝校現場進行，修削的廢屑清除不當，不可避免地殘留在現場、零部件、成品內部的各個角落，在后工程作業及使用過程中，出現前述a、b、c三種不良現象。c)“5s”管理不良。5．其它原因

a)裝配結構不完善，欠缺防塵結構設計或結構設計缺陷，鏡頭密封性不好，灰塵易進入鏡頭內部而污染鏡片。

b)工藝規程及作業標準有關防塵除塵的規定不合理，可操作性差，導致裝校作業不良。

c)未嚴格執行工藝規程及作業標準有關防塵除塵的規定，作業方式片面追求簡便、快捷，野蠻作業等，導致裝校作業不良。d)工檢器具、工裝材料及表面處理不良，使用過程表層銹蝕、蛻落；設計不合理，使用不當，損傷零件表層，引起碎屑；工檢器具、工裝未按要求清潔、修理、更新等，均會污染鏡頭。e)清擦輔料(乙醇、乙醚、紗布、脫脂棉等)不良，雜質、棉纖等殘留在鏡片表面。

二、落灰現象的改善對策

通過以上淺析可知，鏡頭落灰的原因貫穿整個產品的制造始終，是多方面、綜合性的因素。各光學儀器制造企業可根據自身的現實狀況，制定改善對策。一般應從以下幾方面進行改善： 1．對零件制造/盛放包裝/物流周轉/部品、成品裝校等過程深刻檢討，制定全面、合理、細致、明確。行之有效的防塵除塵、防污除污工藝規程及作業標準。在作業中嚴格執行，并不斷改進和完善。2．對零件及產品(包括工具、工裝)的設計給構、設計精度、材料工藝性能、制造機械、熱處理工藝、表面處理工藝等。進行改進、優化、完善，以合理的零件結構及裝配結構，優良的寸法精度、表面精度及裝配精度等，保障鏡頭裝校作業盡可能少或無落灰現象發生。

3、對內裝件，如鏡筒、葉片等采用超聲波清洗工藝，達到無塵、無靜電的清潔狀態后，進入產品組裝。

4、杜絕裝校現場任何零部件的返工返修；各種防塵除塵設施(特別是防、除靜電灰塵設施)應配置完善，并合理使用、保養、維修及更新；嚴格執行“5S”管理，創造一個良好的作業環境。

5、同國內外先進的光學儀器制造企業進行有關的技術交流，專題研討，及時學習和掌握光學鏡頭防塵除塵、防污除污的先進技術，并切合實際地運用于光學儀器的制造作業中。

要徹底根除落灰現象，難度不小，這不是簡單的裝配作業問題，而是一個系統工程。從設計開發到零部件加工直至裝配的每一個環節，都必須采取一系列有效措施，才能得到有效措施，才能得到有效改善。因此，它與企業的工藝水平及文明生產管理程度的關。各光學儀器制造企業可根據自身的現實狀況，制定改善對策。

第四篇：杜呵呵光學基礎知識總結

杜呵呵光學基礎知識總結

光學基本定律：

– 光學三大定律：折射、反射、直線傳播

–光圈 景深 數值孔徑NA 色散 EFL、FNO.、BFL、FFL、光闌、FOV、相對照度、MTF 阿貝爾數 MTF、空間頻率 子午平面(meridional)弧失平面 – MTF曲線、離焦曲線，理解空間頻率 – MTF、空間頻率、TV分辨率三者關系

–費馬原理 斯涅爾定律 惠更斯定律 惠更斯-菲涅耳原理 夫瑯禾費衍射 – 光通量 光強 光照度 輝度

–球差，慧差 像散 場曲 畸變 垂軸色差 軸向色差 –對焦 調焦 成像公式 物像公式 幾何公式

光學(optics)是研究 光（電磁波）的 行為 和 性質，以及 光和物質相互作用 的物理學科

光圈：是照相機上用來控制鏡頭孔徑大小的部件，以控制景深、鏡頭成像質素、以及和快門協同控制進光量，在快門不變的情況下，光圈越大，進光量越多，畫面比較亮；光圈越小，畫面比較暗。

景深：是指在攝影機鏡頭或其他成像器前沿能夠取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體前后距離范圍。

(1)、鏡頭光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；(2)、鏡頭焦距越長，景深越小；焦距越短，景深越大； 3)、拍攝距離:距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。

數值孔徑(NA)：NA = n * sin α，其中 n 是被觀察物體與物鏡之間介質的折射率;α 是物鏡孔徑角(2α)的一半。數值孔徑是物鏡和聚光鏡的主要技術參數，是判斷兩者(尤其對物鏡而言)性能高低(即消位置色差的能力。

色散：材料的折射率隨入射光頻率的減小（或波長的增大）而減小的性質。七色光。對于一枚鏡頭而言，不同色光的焦點位置實際上是不一樣。

阿貝數：用以表示透明物質色散能力的反比例指數，數值越小色散現象越厲害。材料的折射率越大，色散越厲害，即阿貝數越低。

費馬原理：光在任意介質中從一點傳播到另一點時，沿所需時間最短的路徑傳播。又稱最小時間原理或極短光程原理。

斯涅爾定律 Snell's Law(光的折射定律）:光入射到不同介質的界面上會發生反射和折射。n1sinθ1 = n2sinθ2叫斯涅爾公式。惠更斯原理：球形波面上的每一點（面源）都是一個次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每一時刻的子波波面的包絡就是該時刻總的波動的波面。其核心思想是：介質中任一處的波動狀態是由各處的波動決定的。

惠更斯-菲涅耳原理 Huggens-Fresnel principle：行進中的波陣面上任一點都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點發出的許多次波所形成的包絡面，就是原波面在一定時間內所傳播到的新波面。

夫瑯禾費衍射 ：把單色點光源放在透鏡的焦點上，經過透鏡后的單色平行光垂直照射衍射屏時，在屏后面不同距離上會觀察到一些衍射現象，其中當屏遠離到足夠大的距離后，光斑中心出現一個較大的亮斑，外圍是一些較弱的明暗相間的同心圓環，此后再往外移動，衍射花樣出現穩定分布，中心處總是亮的，只是半徑不斷擴大而已，這種衍射稱為夫瑯禾費衍射，又稱遠場衍射。

光通量Φ： 單位：流明[lm]，光源發射并被人的眼睛接收的能量之總和即為光通量（Φ）。光強；單位：坎德拉[cd]：一般來講，光線都是向不同方向發射的，并且強度各異。可見光在某一特定方向角內所發射的強度就叫做光強（l）。

照度E:單位：勒克司[lx],照度（E）是光通量與被照射面積之間的比例系數。1 lx即指1 lm的光通量平均分布在面積lm2平面上的明亮度。

輝度L：單位：坎德拉/平方米[cd/m2]：輝度（L）是表示眼睛從某一方向所看到物體反射光的強度

色溫:單位開爾文[K]:,當光源所發出的顏色與“黑體”在某一溫度下輻射的顏色相同時，“黑體”的溫度就稱為該光源的色溫。“黑體”的溫度越高，EFL 與FOV 焦距越短，視場角越大，放大倍率越小，監控范圍越大，反之視場角越小，放大倍率越大，監控畫面中人越大。

FNO=EFL(焦距)/D(光圈直徑)： 對于定焦鏡頭（光圈直徑）越大，通光量就越大； MB---機械后焦，指鏡頭最后的機械面到像面的距離，BF---光學后焦，指鏡頭最后一片鏡片最后一面中心點 到像面的距離。

FB---法蘭后焦，鏡頭法蘭面到像面的距離。MTF可以近似理解為黑白線條的對比度，最大值為1； 芯片的極限分辨率=2倍的pixel size分之一，單位為lp/mm 焦深越大，鏡頭聚焦越容易。

子午平面(meridional)： 軸外物點與光軸所確定的平面 弧矢平面(sagittal)：過 主光線 且與子午面垂直

像差：

球差，慧差，像散，場曲，畸變，軸向色差，垂軸色差。產生的原因： 1.球面折射系統的特性

2.不同孔徑入射光線像的位置不同 3.不同視場的成像倍率不同 4.子午、弧矢面成像性質不同 5.相同光學介質對不同波長的色光折射率不同

只考慮球差展開式前 2項的系統，當邊緣球差為零時，在0.707 位置殘余球差最大 為高級球差的-1/4。

球差：是高度 或者孔徑角 的函數 1.球差的對稱性－函數不含奇次項 2.孔徑小－初級球差為主要影響 3.孔徑大－高級球差為主要影響

4.正單透鏡產生負球差，負單透鏡產生正球差 三對不產生像差的共軛點稱為 不暈點 或者 齊明點

彗差（coma）：彗差是孔徑和視場的函數

1.在子午面和弧矢面內用不同孔徑的光線對在像空間的交點到主光線的垂直距離。子午彗差：子午面內的光線對交點到主光線的垂直距離 弧矢彗差：弧矢面內的光線對交點到主光線的垂直距離

在實際光學設計中，一般物點所成像偏離對稱光斑的情況都是光學系統的彗差（正弦差）造成 像散：

由于軸外物點偏離軸對稱位置，細光束中也會表現出子午和弧矢的成像差別，使得子午像點與弧矢像點不重合。即一個物點的成像將被聚焦為子午和弧矢兩個焦線，這種像差我們稱為——像散。

場曲：像場彎曲的簡稱，是平面物形成曲面像的一種像差

畸變（distortion）:垂軸放大率隨視場增大而變化, 枕形畸變（pincushion）－正畸變,桶形畸變（barrel）－負畸變, 畸變僅由主光線光路決定，引起像的變形，不影響成像清晰度,光闌位置影響畸變,透鏡之前產生負畸變,透鏡之后產生正畸變。

色差－軸向色差:沿光軸度量的色差

色差同時存在于近軸和遠軸區域，一般情況下，正透鏡產生負色差，負透鏡產生正 色差，所以，光學系統校正色差須用正負透鏡組合。

色差－垂軸色差:波長 → 折射率 → 焦距 → 放大倍數 → 垂軸色差（倍率色差）兩種色光的主光線在高斯面上的交點高度之差。

變焦（zoom）：改變焦距f也改變了鏡頭的視場，原理是在鏡頭中加一組活動的透鏡。調焦（Focus）改變像距v，即改變鏡頭光心到sensor平面的距離。變焦鏡頭原理圖：

成像公式：1/u+1/v=1/f, 其中u是物距，v是像距，f是焦距。物像計算公式：f=h D/H，D：物距 h：象高 H：物高。

電視線：TV Line = lp/mm x 2 x 傳感器的靶面高度 = lp/mm x 2 x 傳感器垂直分辨率 x 像素點尺寸 幾何光學公式：

幾何光學公式.pdf

第五篇：工程光學照相物鏡鏡頭設計與像差分析

課程設計說明書

工程光學課程設計

題目：照相物鏡鏡頭設計與像差分析

院（系）名稱

信 息 工 程 學 院

專

業 班 級

光電信息科學與工程 學

號

14010210XX

學

生 姓 名

T X Y

指

導 教 師

2016年1月10日 課程設計說明書

I

目錄

1照相物鏡發展歷程....................................................................................................1 1.1風情攝影物鏡.......................................................................................................1 1.2匹茲堡人物物鏡...................................................................................................1 1.3對稱型物鏡...........................................................................................................1 1.4三片式物鏡...........................................................................................................1 1.5雙高斯物鏡...........................................................................................................2 1.6攝遠物鏡...............................................................................................................2 1.7反攝遠物鏡...........................................................................................................2 1.8廣角物鏡...............................................................................................................2 1.9變焦距物鏡...........................................................................................................2 2照相物鏡光學性能....................................................................................................3 2.1相對孔徑...............................................................................................................3 2.2視場角2W.............................................................................................................3 2.3焦距F’..................................................................................................................3 3設計過程....................................................................................................................5 3.1初始結構的選擇...................................................................................................5 3.2輸入參數和縮放...................................................................................................6 3.3在ZEMAX中進行優化......................................................................................8 總結..............................................................................................................................14 致

謝..........................................................................................................................15 參考文獻.....................................................................................................................16

課程設計說明書

II 照相物鏡鏡頭設計與像差分析

摘 要

隨著信息化時代的到來，人們對照相的要求也越來越高，而照相物鏡是照相機的眼睛，它的精度和分辨率直接影響到照相機的精度與成像質量。要保證所設計的照相物鏡達到較高的技術要求，在設計時就必須達到更高的精度和分辨率。

完成本課題需要以下幾個部分

第一： 知曉物鏡發展歷程和物鏡基本光學性能； 第二： 選擇所需器件參數，符合本次課題設計要求； 第三： 應用ZEMAX光學設計軟件進行課題設計；

第四： 對各結構元件進行反復的優化設計，使之達到要求的技術指標并顯示快 速傅里葉顯示圖，賽德爾系數，視場、場曲失真圖 第五： 總結了設計過程的心得體會。

關鍵詞：ZEMAX；物鏡；賽德爾系數；快速傅里葉

課程設計說明書1照相物鏡發展歷程

物鏡的發展經歷了許多年，經過不斷地更新與發展，實際用途越來越廣，質量越累越好，物鏡經歷了以下發展： 1.1風情攝影物鏡

最早出現的照相物鏡在1812年是單片的正月牙透鏡，相對孔徑小于1:14，視場50度以內，可用于室外照明良好的條件下拍照。

1821年出現了膠合的透鏡，代替了彎月牙型的單透鏡，雙膠合透鏡因色差得到校正成像質量有所提高，但制作成本比較高，正、負透鏡分離的形式可以得到更好的成像質量，因為雙分離情形下可以更好地校正色散。1.2匹茲堡人物物鏡

1840年匹茲堡設計出了一個相對孔徑為1:3.4，視場為25度左右的物鏡，即匹茲堡人像物鏡，該物鏡可用于室內攝影，是第一個依靠設計而制造出來的照相物鏡。

匹茲堡物鏡是1910年以前的所有物鏡中相對孔徑最大的，它在近軸部分的成像優良，至今仍在用作電影放映物鏡等須要大孔徑小視場的場合，匹茲堡物鏡的改進形式很多，是現在五大類物鏡中的一類。1.3對稱型物鏡

最早出現的對稱型物鏡，相對孔徑很小，如斯坦赫爾的潛望鏡頭，相對孔徑為1:30，視場為70度，只能用做風景攝影。海普崗是這種類型的極限結構，是馮虛格在1900年設計出的，兩個透鏡的外表幾乎是半球面，具有140度左右的視場，相對孔徑很小1:30，但它具有大的無畸變視場，至今仍用在航測儀器中。數器、輸入/輸出接口和其他多種功能期間集成在一塊芯片上的微型計算機。1.4三片式物鏡

1893年，塔克洛爾用分離薄透鏡作為對稱型的一半，設計出了柯克三片式物鏡，這是能校正所有像差的一種最簡單的結構，在非對稱情況下，其獨立變數 課程設計說明書恰能校正七種像差。這種類型現在已具有相對孔徑1:4，視場50度的光學性能。如果視場減小時，相對孔徑可達1:2.8，現在它依舊是一種比較流行的物鏡。

1902年出現的天塞物鏡可看做三式的后面一塊正透鏡改為二塊玻璃膠合的結果，它在高級像差方面要比三片式要好。1.5雙高斯物鏡

雙高斯與達崗等對稱物鏡不同，它是用薄透鏡加厚透鏡的結構。由于具有小半徑的厚透鏡處在薄透鏡后的會聚光中，近于不暈位置，因此它的像差和帶像差都有所縮小，相對孔徑比較大，它是現在1:2物鏡的主要結構。1.6攝遠物鏡

用正負二透鏡組所構成能使攝影物長度減短的都稱為攝遠物鏡。1.7反攝遠物鏡

由正負透鏡組分離組成，負透鏡位于正透鏡之前，從而使主平面后移至物鏡后方，達到像方頂焦距大于焦距的目的。1.8廣角物鏡

廣角物鏡是以海里的全天照相物鏡出發的，其視場很大。1.9變焦距物鏡

物鏡能在一定范圍內迅速的改變焦距，從而在投影儀固定不動的情況下獲得不同比例的影像，可以代替多個定焦距攝影物鏡使用。

（本次涉及所使用的三片物鏡是具有中等光學特性的照相物鏡中結構最單，像片質量最好的一種，被廣泛使用在比較廉價的135#和120#相機中，例如國產的海鷗—

4、海鷗—

9、天鵝相機等。這種照相物鏡進一步復雜化的目的，大多是為了增大相對孔徑，或提高視場邊緣成像質量）

課程設計說明書2照相物鏡光學性能

照相物鏡的基本光學性能主要由三個參數表征，即相對孔徑D/f’，視場角2w，焦距f’。2.1相對孔徑

相對孔徑是個比值，鏡頭的有效的孔徑與焦距比值，表示鏡頭的納光束多少。照相物鏡中只有很少幾種如微縮物鏡和制版物鏡追求高分辨率，多數照相物鏡因其本身的分辨率不高，相對孔徑的作用是為了提高像面光照度

E’=1/4πLτ(D/f’)2

照相物鏡按其相對孔徑的大小，大致可分為如下表1所示：

表1 照相物鏡的相對孔徑

弱光物鏡 普通物鏡 強光物鏡 超強光物鏡 2.2視場角2w

相對孔徑小于1：9； 相對孔徑為1：9~1：3.5 相對孔徑為1：3.5~1：1.4 相對孔徑大于1：1.4 在光學儀器中，以光學鏡頭為頂點，以被測目標的物像，可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構成的夾角叫做視場角。

照相物鏡的視場角決定其在接受器上成清晰像的空間范圍。視場角越大，視野就越大，光學倍率就越小。照相物鏡沒有專門的視場光闌，視場大小被接受器本身的有效接受面積所限制，即以接收器本身的邊框作為視場光闌。

按視場角的大小，照相物鏡又可分為如下表2所示：

表2 照相物鏡視場角

小視場物鏡 中視場物鏡 廣角物鏡 超廣角物鏡 2.3焦距f’

視場角在30°以下 視場角在30°~60°之間 視場角在60°~90°之間 視場角在90°以上

焦距是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式，指平行光入射時從透鏡 課程設計說明書光心到光聚集之焦點的距離。

照相物鏡的焦距決定所成像的大小 當物體處于有限遠時，像高為

y’=(1-?)f'tan?

?：垂軸放大率，??y'l'?。yl對一般的照相機來說，物距l都比較大，一般l>1米，f’為幾十毫米，因此像平面靠近焦面，l'?f'，所以

??f' l當物體處于無限遠時，?→∞像高為

y’=f'tan?

照相物鏡的焦距標準如下表3所示：

表3照相物鏡焦距標準

物鏡類型 魚眼 超廣角 廣角 標準 段望遠 望遠 超望遠

物鏡焦距f’/mm 7.5~15 17~20 24~28~25 50 85~100 135~200~300 400~500~600~800 照相物鏡上述三個光學性能參數是相互關聯，相互制約的。這三個參數決定了物鏡的光學性能。企圖同時提高這三個參數的指標則是困難的，甚至是不可能的。只能根據不同的使用要求，在側重提高一個參數的同時，相應地降低其余兩個參數的指標。

課程設計說明書3設計過程

3.1初始結構的選擇

照相物鏡屬于大視場大孔徑系統, 因此需要校正的像差也大大增加, 結構也比較復雜, 所以照相物鏡設計的初始結構一般都不采用初級像差求解的方法來確定, 而是根據要求從手冊、資料或專利文獻中找出一個和設計要求比較接近的系統作為原始系統。在選擇初始結構時, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一般在相對孔徑和視場角達到要求時, 我們就可以將此初始結構進行整體縮放得到要求的焦距值。

設計要求：

1、焦距：f’=12mm；

2、相對孔徑D/f’不小于1/2.8；

3、圖像傳感器為1/2.5英寸的CCD，成像面大小為4.29mm×5.76mm；

4、后工作距>6mm；

5、在可見光波段設計(取d、F、C三種色光，d為主波長)；

6、成像質量，MTF 軸上>40% @100 lp/mm，軸外0.707 >35%@100 lp/mm；

7、最大畸變<1%。

照相物鏡的視場角和有效焦距決定了攝入底片或圖像傳感器的空間范圍，鏡頭所成的半像高y可用公式y=-f*tanw計算。

f為有效焦距，2w為視場角。半像高y應稍大于圖像傳感器CCD或CMOS的有效成像面對角線半徑,防止CMOS裝調偏離光軸而形成暗角。

經過簡單計算：

y’=sqrt(4.29^2+5.76^2)/2≈3.6mm，w=atan(y’/f)≈16.66°，視場角2w=33.32°。

在光學技術手冊查詢后選定初始結構為后置光闌的三片物鏡（如圖1所示），課程設計說明書后置光闌三片物鏡原始結構

圖1 初始參數為： 焦距分f’=42.12mm； 相對孔徑2.8； 視場角2w=54°。其余參數如下表4所示：

表4其余參數

r1=13.44 r2=30.996 r3=-40.614 r4=13.44 r5=32.508 r6=-27.006 3.2輸入參數和縮放

d1=4.41 d2=4.41 d3=1.01 d4=2.39 d5=3.36

n=1.67779

n=1.59341

n=1.69669

v=55.2 v=35.5 v=55.4

將參數輸入ZEMAX中：

其中第六面設為光闌面，厚度設為marginal ray height，移動光標到STO光闌面（中間一個面）的“無窮（Infinity）之上”；

按INSERT鍵，這將會在那一行插入一個新的面，并將STO光闌面往下移。新的面被標為第2面。再按按INSERT鍵兩次，移動光標到IMA像平面，按INSERT鍵兩次。在LDE曲率半徑（Radius）列，順序輸入表4中的鏡片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在鏡片厚度（Thickness）列順序輸入表4中的鏡片厚度；在第七個面厚度處單擊右鍵，選擇面型為Marginal Ray Height。在鏡片類型（Class）列輸入鏡片參數，方法是：在表中點右鍵對話框Solve Type選中Model，課程設計說明書Index nd中輸入n值Abbe Vd中輸入v值，如下圖2所示。在system-general-aperture中輸入相對孔徑值2.8如下圖3所示，在tools-make focus中該改焦距為12mm進行縮放如下圖4所示。在system-wavelength中輸入所選波段，選d光為主波長如下圖5所示。輸入初始參數如下圖2所示：

圖2輸入相對孔徑值

設置相對孔徑值和波段如下圖3所示：

圖3：輸入相對孔徑值

改焦距為12mm進行縮放如下圖4所示：

圖4：縮放后圖

課程設計說明書輸入所選波段如下圖5所示：

圖5輸入所選波長

縮放后得到我們所設計的焦距f’=12mm的初始參數（如下圖6所示）。

圖6：初始參數

現在開始定義視場，我們根據之前所得像高y’=3.6mm,依次乘以0，0.3，0.5，0.7071得到所選孔徑光束的Y-field，即0，1.08，1.8，2.5452輸入到system-field中，類型選擇真值高度。

到這里，初始結構及其參數已經完成。3.3在ZEMAX中進行優化

利用ZEMAX得到初始結構的MTF曲線（如下圖7所示）可看出成像質量很差, 因此需要校正像差。

課程設計說明書MTF曲線圖如下圖7所示：

圖7：MTF曲線圖

該結構可以用作優化變量的的數據有： 6個曲率半徑，2個空氣間隔，3個玻璃厚度。

首先使用Default Merit Function建立缺省評價函數進行優化，選擇Editors-Merit Function，在第一行中先輸入EFFL，目標值設為12，權重設為1。在輸入SPHA，在Target中輸入0.4，在Weight中輸入1。第二個BLNK改為MTFT并Enter，在Freq中輸入100，在Target中輸入0.04，在Weight中輸入1。同理輸入MTFA和MTFS（如下圖8所示）。再選擇Tools-Default Merit Function，設置玻璃厚度以及空氣間隔、start設為2（如下圖9所示），再選擇OK，建立缺省評價函數。（EFFL：Effective focal length的縮寫，指定波長號的有效焦距。SPHA：指球差，如果Surf=0，則指整個系統的球差總和。MTF：指子午調制傳遞函數。）

課程設計說明書缺省評價函數如下圖8所示：

圖8：缺省評價函數

設置玻璃厚度以及空氣間隔如下圖9所示：

圖9：玻璃及空氣厚度

然后在Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients中查看，找出對賽得和數影響大的面，將這些面的曲率半徑設為變量優先優化如圖10所示。

課程設計說明書

圖10

發現第一面和光闌面影響較大，優先優化。先將STO面的類型改為Even Asphere，并將此行的4th term、6th term、8th term設為變量。將1、6面曲率半徑設為變量，選擇快捷選項Opt，然后進行優化，優化后取消變量，將剩余面的曲率半徑設為變量，再次優化，完畢后取消變量。再將透鏡間隔和玻璃厚度先后進行優化。如下圖11所示。

優化后圖

圖11

到這一步后發現已經基本符合設計要求，再根據2D圖適當調整曲率半徑和厚度，每次調整后再次優化實時關注MTF圖的曲線變化，最后使各個參數都在可接受范圍之內。

課程設計說明書賽德爾系數如下圖14所示：

圖14 3D草圖顯示如下圖15所示：

圖15：3D草圖

在分析（Analysis）的雜項中得出視場場區圖，然后再在分析中找到點列圖得到如下圖所示的點列圖如下圖16所示：

課程設計說明書

圖16：點列圖

優化后視場、場曲失真圖如下圖17所示

圖17：視場、場曲失真圖

課程設計說明書總結

在這次工程光學課程設計中，我選擇的題目是照相物鏡鏡頭設計與像差分析，剛看到這個題目時我以為很簡單，感覺有些熟悉，但是等到做的時候才發現并不是這么回事的，真的到自己做的時候才發現還是很有難度的。在這次課程設計中，之所以能夠從當初的茫然無措中走出來最重要的就是平時的光學知識的學習和積累。在接到這個題目之后，我查閱了很多關于照相物鏡的資料，去了圖書館，又在網上搜到很多的相關資料，通過對這些資料的研究和分析。不但對我的課程設計有很大的幫住，而且對自己的照相物鏡的學習也提高了不少，學到了許多平時課本上比較模糊的知識點，知識變得更加清晰，也更加明了。本文采用1片非球面塑料, 3片球面玻璃透鏡, 在ZEMAX 中使用合適的優化函數和權重對像差進行校正, 逐步消除了基本像差、高級像差, 并進行了像差平衡, 獲得了實際焦距11.953mm照相鏡頭, 各個市場畸變控制在1%以內,M TF 曲線也比較理想, 鏡頭總長為14.3602 mm。該鏡頭不僅體積小, 結構緊湊, 而且像質較好。在此次設計中，我們發現光闌面使用非球面能夠很好的平衡像差，同時我們只進行了對玻璃厚度和曲率的簡單優化，查閱相關資料后設想如果將第一面的透鏡換為鼓形透鏡，第二面換為彎月透鏡或換成折射率更高的玻璃，還可以進一步做出深度優化，使之獲得更好的表現。

課程設計說明書致 謝

通過本次課程設計，我學到了很多新的知識，讓我了解到理論和實踐是分不開的，同時也發現了自己的不足。在設計過程中，孫彩霞老師在百忙中對我的設計進行了指導。老師首先細致地為我解題；當我迷茫于眾多的資料時，她又為我提綱挈領、梳理脈絡，使我確立了本文的框架。感謝老師對我的課程設計不厭其煩的細心指點。我才能更快更準確地完成。在以后的學習中，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。而且我還從老師那里學到了嚴謹、務實、認真的工作態度和極強的敬業精神。我再次為老師的耐心付出表示感謝。

課程設計說明書參考文獻

[1] 劉鈞，高明．光學設計[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2006． [2] 郁道銀，談恒英．工程光學[M]．北京：機械工業出版社，2011． [3] 毛文煒．光學鏡頭的優化設計[M]．北京：清華大學出版社，2009． [4] 李曉彤，岑兆豐．幾何光學像差光學設計[M]．杭州：浙江大學出版社，2003． [5] 王之江．實用光學技術手冊[M]．北京：機械工業出版社，2007． [6] 楊榮仙．變倍目鏡的設計[J]．光學技術1992．

[7] 涂德華．共軸光學系統鏡框結構設計[J]．光學儀器2007．

[8] 石順祥，張海興，劉勁松．物理光學與應用光學[M]．西安西安電子科技大學出版社，1999．