第2章 共軸球面光學系統

本章教學要點

導入案例

共軸球面系統應用于各種光學儀器的鏡頭中，如照相攝像系統、望遠鏡、顯微鏡等。單就球面鏡而言，包含凹面鏡和凸面鏡，凹面鏡能使平行光會聚在焦點，且使焦點發出的光線平行射出，如太陽灶、內窺鏡、探照燈、汽車頭燈等；凸面鏡能使平行光線發散，因此凸面鏡可以擴大視野，如汽車上的后視鏡，以及急轉彎路口豎立的球面鏡，如圖所示。對于場景監控等應用領域，還可以使用球面鏡搭建低成本的全向視覺系統，如移動機器人、戰車導航、場景監控、視頻會議等領域已廣泛投入應用。低照度的條件下，還可以選擇非球面鏡頭，如24小時連續工作的電視監控系統中。

所有的光學系統，都是由一些光學元件按照一定方式組合而成，而光學元件都是由不同介質（光學玻璃或塑料、晶體等）的一些折射和反射面構成。這些面形可以是平面、球面，也可以是非球面。由于球面和平面便于大量生產，因而目前絕大多數光學系統中的光學元件面形均為球面和平面。但隨著工藝水平的提高，非球面也正被更多地采用。

凡由球面透鏡（平面可視為半徑無限大的球面）和球面反射鏡組成的系統稱為球面系統。所有球面球心的連線為光學系統的光軸。光軸為一條直線的光學系統稱為共軸球面系統，共軸球面系統的光軸也就是整個系統的對稱軸線。本書中所討論的球面光學系統均屬共軸球面系統。

因共軸球面系統是由一些球心位在同一條直線上的球面組成的，其前一面的折射光線就是后一面的入射光線。所以，為了由入射光線位置找到通過光學系統后的出射光線位置，只要依次找出各面的折射光線即可。由入射光線計算出射光線的過程稱為光路計算或光路追跡。

共軸球面系統的求像問題，也就是在已知光學系統結構參數及物平面位置和大小的條件下，求像的位置和大小的問題。為了找到某一物點的像，只要根據幾何光學基本定律，找出物點發出的一系列光線通過光學系統以后的出射光線位置。這些出射光線的交點就是該物點的像點，本章將對此做詳細介紹。