第2章 共轴球面光学系统

本章教学要点

导入案例

共轴球面系统应用于各种光学仪器的镜头中，如照相摄像系统、望远镜、显微镜等。单就球面镜而言，包含凹面镜和凸面镜，凹面镜能使平行光会聚在焦点，且使焦点发出的光线平行射出，如太阳灶、内窥镜、探照灯、汽车头灯等；凸面镜能使平行光线发散，因此凸面镜可以扩大视野，如汽车上的后视镜，以及急转弯路口竖立的球面镜，如图所示。对于场景监控等应用领域，还可以使用球面镜搭建低成本的全向视觉系统，如移动机器人、战车导航、场景监控、视频会议等领域已广泛投入应用。低照度的条件下，还可以选择非球面镜头，如24小时连续工作的电视监控系统中。

所有的光学系统，都是由一些光学元件按照一定方式组合而成，而光学元件都是由不同介质（光学玻璃或塑料、晶体等）的一些折射和反射面构成。这些面形可以是平面、球面，也可以是非球面。由于球面和平面便于大量生产，因而目前绝大多数光学系统中的光学元件面形均为球面和平面。但随着工艺水平的提高，非球面也正被更多地采用。

凡由球面透镜（平面可视为半径无限大的球面）和球面反射镜组成的系统称为球面系统。所有球面球心的连线为光学系统的光轴。光轴为一条直线的光学系统称为共轴球面系统，共轴球面系统的光轴也就是整个系统的对称轴线。本书中所讨论的球面光学系统均属共轴球面系统。

因共轴球面系统是由一些球心位在同一条直线上的球面组成的，其前一面的折射光线就是后一面的入射光线。所以，为了由入射光线位置找到通过光学系统后的出射光线位置，只要依次找出各面的折射光线即可。由入射光线计算出射光线的过程称为光路计算或光路追迹。

共轴球面系统的求像问题，也就是在已知光学系统结构参数及物平面位置和大小的条件下，求像的位置和大小的问题。为了找到某一物点的像，只要根据几何光学基本定律，找出物点发出的一系列光线通过光学系统以后的出射光线位置。这些出射光线的交点就是该物点的像点，本章将对此做详细介绍。