第2章幾何光學(xué)4.ppt

6光闌,一、有效光闌入射光瞳與出射光瞳,1、有效(孔徑)光闌,有效(孔徑)光闌：真正控制主光軸上入射光孔徑的約束物，使之滿足旁軸光線條件。影響像的景深、亮度、分辨率、像差等。光闌可以是透鏡的邊緣、框架或特別設(shè)置的帶孔屏障。,入射孔徑角、出射孔徑角：,透鏡的有效(孔徑)光闌和孔徑角,含義1：限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角大小的光闌。,含義2：孔徑光闌的位置不同，但都起到了對軸上物點(diǎn)成像光束寬度的限制作用；只需相應(yīng)的改變光闌大小，即可保證軸上物點(diǎn)成像光束的孔徑角不變。,孔徑光闌,孔徑光闌,物像關(guān)系,入射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）,2.入射光瞳與出射光瞳（在物方和像方空間虛構(gòu)的光闌）,孔徑光闌、入瞳與出瞳,出瞳,入瞳,孔徑光闌,1）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。,2）出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。,3）孔徑光闌：實(shí)際起對光束限制作用的元件，決定了入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。,5光學(xué)儀器,1.原理,投影儀的光路圖,一、投影儀器,sf；sf；V=s/ss/f,“聚光鏡”緊帖畫片（畫片在聚光鏡的像方），經(jīng)過畫片的出射光是會聚光；會聚光經(jīng)投影鏡頭均勻放大后，呈現(xiàn)在屏幕上；,2.特點(diǎn),3.光路,均勻放大,照相系統(tǒng)由三部分組成鏡頭：將外界景物成像在底片上。光闌：影響底片上照度，從而影響曝光時間選擇；影響景深。底片架框：確定景物的成像范圍。,照相機(jī)和光闌的作用,二、照相機(jī),照相機(jī)的光路圖,1.原理,sf；sf;V=s/sf/s,相當(dāng)于單凸透鏡成縮小的實(shí)像,2.特點(diǎn),3.光路,2.照相物鏡的景深,景深的含義：物鏡能夠成清晰像的物距范圍,影響景深的因素：光闌大小、焦距和物距,景深,P點(diǎn)的像是點(diǎn)，P1和P2點(diǎn)的像在平面上是圓斑。只有圓斑線度小于底片分辨率，像才是清晰的。,同一位置不同景深的效果光闌直徑縮小，光束變窄，景深加大,景深大景深小,X（物距）越大，景深越大。拍攝不太近的物體，遠(yuǎn)的背景很清晰；,景深大,拍攝近物，景深小,拍攝近物時，景深小，遠(yuǎn)物變得模糊。,A眼球的構(gòu)造,2.角膜：鞏膜中突出的透明部分，R0.8cm,3.網(wǎng)膜：鞏膜內(nèi)層，不透光，暗房，相當(dāng)于照相機(jī)底片,4.虹膜：網(wǎng)膜前部彩簾，調(diào)節(jié)瞳孔大小,5.瞳孔：虹膜中間，調(diào)節(jié)進(jìn)入光通量D1mm8mm很小,1.鞏膜：最外層，白色，D2.4cm,眼球橫切面,三、眼睛,6.晶狀體：瞳孔內(nèi)液體，n不均勻,7.睫狀?。号c虹膜相聯(lián)，調(diào)節(jié)水晶體曲率，看清遠(yuǎn)近物體,8.前房液：水晶體前，角膜后，n=n(水),9.后房液：水晶體后，網(wǎng)膜前,10.視網(wǎng)膜：,從光學(xué)角度看，最主要的是：水晶體、瞳孔和視網(wǎng)膜。,人眼瞳孔水晶體視網(wǎng)膜,眼睛和照相機(jī)很相似，如果對應(yīng)起來看：,照相機(jī)光闌鏡頭底片,照相機(jī)中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像,但我們感覺為什么還是正立的？,這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結(jié)果，相當(dāng)復(fù)雜，相當(dāng)奇妙！,為了方便，人們定義了標(biāo)準(zhǔn)眼模型和簡約眼模型,物體在視網(wǎng)膜上形成一個倒立的實(shí)像。,但這一倒像經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)的作用，給人以正像的視覺。,B簡化眼模型,角膜頂O,C人眼的調(diào)節(jié)功能,78cm,約2m,青中年,老年,幼年,1.眼睛像方焦點(diǎn)與視網(wǎng)膜重合,1425cm明視距離25cm,2.感光范圍390nm760nm,遠(yuǎn)物：遠(yuǎn)點(diǎn)(睫狀肌完全放松)；近物：近點(diǎn)(睫狀肌最大收縮),正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無限遠(yuǎn)，像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合,最常見的有近視眼和遠(yuǎn)視眼（老花眼）,D非正常眼睛及其矯正,若不符合這一條件就是非正常眼，或稱視力不正常,1.近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)不是無窮遠(yuǎn),近視眼睛與眼鏡,矯正方法：在近視眼睛前加一個凹透鏡,矯正目標(biāo)：將遠(yuǎn)點(diǎn)矯到無窮遠(yuǎn),眼鏡的度數(shù)：凹透鏡的光焦度,光焦度的單位是屈光度()眼鏡光焦度的度數(shù)是屈光度100,21,例題一近視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)在眼前50cm處，今欲使其看清無限遠(yuǎn)的物體，則應(yīng)配戴多少度的鏡？,解：配戴的眼鏡必須使無限遠(yuǎn)的物體應(yīng)在眼前50cm處成一虛象，如圖所示。設(shè)眼鏡的焦距為f，s=，s=0.5m,代入薄透鏡公式，得：,戴200度眼鏡,3.散光眼：角膜是橢球形狀，而正常眼睛的角膜形狀是球型的,4.白內(nèi)障：晶狀體液體渾濁,矯正目標(biāo)：將近點(diǎn)矯到25cm,2.遠(yuǎn)視眼：近點(diǎn)是2m左右（非明視距離）,5.當(dāng)今大多數(shù)近視者，乃不良習(xí)慣之咎也，非營養(yǎng)、用功之故。,矯正方法：在近視眼睛前加一個凸透鏡,矯正比較困難,手術(shù)治療,遠(yuǎn)視眼睛與眼鏡,例題一遠(yuǎn)視眼的近點(diǎn)在1.2m處，要看清眼前12cm處物體，問應(yīng)配戴怎樣的眼鏡？,解：所配戴的眼鏡應(yīng)使眼前12cm處的物體在眼前1.2m處成一虛象，如圖11-22。對于透鏡：s=0.12m，s=-1.2m，代入薄透鏡公式得：,即配戴焦度為7.5D（1500度）的凸透鏡。,E眼睛的分辨本領(lǐng),在明視距離處，黃斑的分辨本領(lǐng)最高，最小分辨角,晚上為1,白天為1,物體在網(wǎng)膜上成像的大小，正比于它對眼鏡所張的角度。所以物體越近，它在網(wǎng)膜上的像越大，越容易分辨它的細(xì)節(jié)。但是太近了，看久眼鏡會感到疲倦。只有在明視距離上，才感到舒服。,虹膜起著孔徑光闌的作用，自動調(diào)節(jié)進(jìn)入人眼的光能。瞳孔直徑可自動變化(28mm)。,若外界光很強(qiáng)，瞳孔縮小到2mm時仍然使人無法適應(yīng)，就容易使視網(wǎng)膜造成傷害。直視太陽或正視激光束能在視網(wǎng)膜上燒成一盲斑，使人在觀看任何景象時，總有一塊或數(shù)塊區(qū)域是黑斑。,F瞳孔調(diào)節(jié)（適應(yīng)特性）,四、放大鏡與目鏡,最簡單的放大鏡就是焦距很短的會聚透鏡，其作用是放大物體在網(wǎng)膜上所成的像。像的大小與物體對眼睛所張的視角成比例。用肉眼觀察物體，當(dāng)物體由遠(yuǎn)移近時，所張的視角增大，但是達(dá)到明視距離后繼續(xù)移近，視角雖增大，但看不清楚。所以肉眼觀察物體，最大視角不超過：,1、放大鏡的放大率,眼睛直接成像的視角為,定義放大鏡的放大率:,凸透鏡放大,y,y,放大鏡,F,f,使用助視儀器的視角為,物體放在凸透鏡焦點(diǎn)F以內(nèi)的小范圍內(nèi)。,目鏡：由兩個或兩個以上透鏡組成的復(fù)合放大鏡,目鏡的特點(diǎn)：具有較高的視角放大率和較小的像差；通常不單獨(dú)使用，而是用來放大其它光具組（如顯微鏡物鏡或望遠(yuǎn)鏡物鏡）所成的像；一般由兩個不相接觸的薄透鏡組成。,常用的兩種典型目鏡：惠更斯目鏡,冉斯登目鏡。,目鏡的定義、特點(diǎn)及分類,顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡中的目鏡，原理上就是放大鏡。,（1）惠更斯目鏡,由于拉姆斯登目鏡的F和物體QP就在向場鏡L1的表面上，在它表面上附著的灰塵、缺陷或傷痕將與物體一起放大，同時出現(xiàn)在目鏡的像平面上，使得像場模糊不清。這個缺點(diǎn)是惠更斯目鏡所沒有的。為了避免這缺點(diǎn)，拉姆斯登目鏡常采用以下變通形式:這時焦點(diǎn)F將在向場鏡前面一些，這樣物體就可躲開透鏡的表面。當(dāng)然這樣做使得條件(2.77)式不嚴(yán)格滿足，犧牲了一些消色差的性能。,五、顯微鏡,1、組成及特點(diǎn)放大鏡的放大倍率有限，要得到更大的放大倍率，靠顯微鏡。,兩凸透鏡(組)構(gòu)成，物鏡的焦距短,物體置于物鏡物方焦點(diǎn)F0外側(cè)，經(jīng)物鏡成像于目鏡物方焦點(diǎn)FE內(nèi)側(cè)，再經(jīng)目鏡成像于明視距離以外。,2、顯微鏡的角放大率,物體在明視距離處所張的視角為：,最后的像所張的視角為：,顯微鏡的視角放大率為：，代入得到：,物鏡的橫向放大率V0為,成倒立像,物鏡、目鏡的焦距越短，光學(xué)筒長越大，放大倍率越高。,六、望遠(yuǎn)鏡,1、組成及特點(diǎn)觀察的物體在很遠(yuǎn)地方，中間像在物鏡的像方焦面上。,兩透鏡(組)構(gòu)成，物鏡的焦距長,像是倒立的，物鏡焦距越長，放大倍率越高。,七、棱鏡光譜儀,分光鏡：眼睛直接觀察光譜。,攝譜儀：放置感光底片拍攝光譜或CCD成像。,單色儀：焦平面放一狹縫把某一波長的光分出來。,平行光(準(zhǔn)直)管,棱鏡光譜儀,2、角色散本領(lǐng),角色散本領(lǐng)的定義,1、基本概念,角色散本領(lǐng),偏轉(zhuǎn)角最小時，角色散本領(lǐng)的計(jì)算,7像差,一、像差概述,2.像差的分類幾何像差,1.理想成像的條件,物方每一點(diǎn)發(fā)出的同心光束在像方仍然保持同心光束；,垂直于光軸的平面上各點(diǎn)的像仍然在垂直于光軸的平面上；,在每個像平面內(nèi)其橫向放大率相同，從而保持物、像的幾何相似性,(1)單色像差：球面像差；彗形像差；像散；像場彎曲；畸變,理想（光具坐）成像，無單色像差一級近似：,考慮三級近似成像，有5種單色像差：,(2)色像差：非單色物引起的像差，起原因主要是：,二、球面像差,當(dāng)孔徑較大時，由光軸上一物點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)球面折射后不再交于一點(diǎn)。,凸透鏡的像差是負(fù)的，凹透鏡的像差是正的。由凹凸透鏡組合的復(fù)合透鏡，可使某個高度的球差完全抵消，但不能同時使任何高度上消除球差。,三、彗形像差,旁軸物點(diǎn)發(fā)出的寬光束在像平面上不再交于一點(diǎn)，而是形成狀如彗星的光斑。由P點(diǎn)發(fā)出的主光線與像平面交于P，經(jīng)過光瞳各圓周的光線落在圓周1、2、3上，但這些圓不是同心，半徑越大的圓，圓心偏離P遠(yuǎn)。,放置光闌可減小慧差。,四、正弦條件和齊明點(diǎn),正弦條件,1.正弦條件,2.齊明點(diǎn)：滿足正弦條件共軛點(diǎn),五、像散和像面彎曲,像散,這兩種像差是由于物點(diǎn)離光軸較遠(yuǎn)，光束傾斜度較大引起。,出射光束的截面一般是橢圓，但在兩處退化為直線。在兩散焦線之間某處光束的截面成圓形，這是光束聚焦最清楚地方，是放置照相底片和屏幕的最佳地方。,像面彎曲,對于物平面的點(diǎn)，散焦線和最小模糊圓的軌跡一般是曲面，稱像場彎曲。對于照相機(jī)，感光底片應(yīng)做成彎曲曲面。對于單個透鏡，像場彎曲可通過在透鏡前適當(dāng)位置放一個光闌來矯正。目前采用復(fù)雜透鏡可消除象散現(xiàn)象。,代表子午焦線，弧矢焦線和最小模糊圓的軌跡。,六、畸變,各種畸變,像平面內(nèi)圖形的各部分與原物不成比例。若遠(yuǎn)光軸區(qū)域的放大比光軸附近大，出現(xiàn)枕形畸變；反之出現(xiàn)桶形畸變。,光闌放在凸透鏡前產(chǎn)生桶形畸變（遠(yuǎn)光軸點(diǎn)放大?。环旁诤竺娈a(chǎn)生枕形畸變（遠(yuǎn)光軸點(diǎn)放大多）；采用對稱鏡頭，并把光闌置于中間，可使兩種相反畸變互相抵消。,七、色像差,色差,不同顏色的光所成的像，位置和大小可能不同，前者稱位置像差，后者稱放大率像差。單個透鏡的色像差難以消除，但把不同材料做成的凸、凹透鏡黏合起來，可以對選定的兩種波長消除色差。,根據(jù)磨鏡者公式，兩透鏡的光焦度為：,與波長無關(guān),兩透鏡黏合的光焦度為：,8像的亮度、照度和主觀亮度,一、像的亮度,1、理想漫射體,2、進(jìn)入入射光瞳的光通量,決定照相底片感光程度的是像的照度E（投射到像平面上單位面積的光通量）；目視光學(xué)儀器的像是眼睛的觀察對象，所以是亮度B（進(jìn)入瞳孔單位立體角的光通量）。,4、物、像的亮度分別為,在忽略通過系統(tǒng)光通量的損失時，像的亮度與物像位置和放大率無關(guān)，而且在n=n時，物、像的亮度相同。,3、出射光瞳的光通量,考慮光學(xué)系統(tǒng)吸收K1,二、像的照度,1、像距遠(yuǎn)大于焦距的情形u0定值（投影儀）,投影儀幕上像的照度與橫向放大率平方成反比，像放大的同時變暗了。,2、物距遠(yuǎn)大于焦距的情形u0定值（照相機(jī)）,物距遠(yuǎn)大于焦距時像的照度,像距,入瞳、出瞳的直徑相等,出射孔徑角,像的照度,(1)像的照度,與D2成正比，與f2成反比,F數(shù)（光圈數(shù)）：相對孔徑之倒數(shù),1.4，2.8,5.6，8，11，16，22F數(shù)，又叫光圈數(shù),若要求曝光量相等，當(dāng)曝光時間增加一倍時，即光圈直徑減小倍。,曝光量P正比于像面照度和曝光時間的乘積,(2)相對孔徑與F數(shù),光圈數(shù)的標(biāo)示值：后一個數(shù)近似為前一個數(shù)的倍，因此相對孔徑