工程光學(xué)專(zhuān)題4、5、6

1、工程光學(xué)專(zhuān)題工程光學(xué)專(zhuān)題第四章 光束選擇孔徑光闌、視場(chǎng)光闌 、漸暈光闌 、消雜光光闌 光闌及其作用、分類(lèi)孔徑光闌、入射光瞳、出射光瞳，確定方法視場(chǎng)光闌、入射窗、出射窗，確定方法 共軛關(guān)系、主光線、漸暈現(xiàn)象（以相機(jī)為例）光闌：光闌： 限制成像光束的光孔，或者是限制成像范圍的光孔或限制成像光束的光孔，或者是限制成像范圍的光孔或金屬框，可分為金屬框，可分為孔徑光闌、視場(chǎng)光闌、漸暈光闌和消雜光光孔徑光闌、視場(chǎng)光闌、漸暈光闌和消雜光光闌闌。 光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用：光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用： 決定能通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光束；決定能通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光束； 決定系統(tǒng)的視場(chǎng)；決定系統(tǒng)的視場(chǎng)； 限制光束中偏離理想位置最大

2、限制光束中偏離理想位置最大 的一些光線，以改善成像質(zhì)量；的一些光線，以改善成像質(zhì)量； 攔截系統(tǒng)中有害雜散光；攔截系統(tǒng)中有害雜散光；L：照相鏡頭：照相鏡頭A： 可變光闌可變光闌B：感光底片：感光底片 孔徑光闌的定義：孔徑光闌的定義：1 1）限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋唬┫拗戚S上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋?；2 2）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。1、孔徑光闌、孔徑光闌F 孔徑光闌孔徑光闌F 孔徑光闌孔徑光闌物像關(guān)系物像關(guān)系后面后面光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)入瞳入瞳出瞳出瞳孔徑光闌孔徑光闌前面前面光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)整整個(gè)個(gè)光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng) 孔徑光闌的確定方法孔徑光闌

3、的確定方法1L2LQ1Q2Q)U2Q2L1QQA A Aa. a. 將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（透鏡邊框和光圈等），將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（透鏡邊框和光圈等），對(duì)其前面的光對(duì)其前面的光 學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；，求像之大小和位置；b. b. 由由軸上物點(diǎn)軸上物點(diǎn)向各像邊緣、第一個(gè)透鏡邊緣分別作連線，求向各像邊緣、第一個(gè)透鏡邊緣分別作連線，求張張 角最小值即為入瞳角最小值即為入瞳，相應(yīng)的共軛物為孔徑光闌；，相應(yīng)的共軛物為孔徑光闌；c. c. 孔徑光闌對(duì)后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳?？讖焦怅@對(duì)后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。 若物體位于無(wú)限遠(yuǎn)，此時(shí)僅比較各個(gè)像

4、本身的大小，其口徑最小者即為入射光瞳。 主光線的入射主光線的入射、出射部分、出射部分各自各自通過(guò)入瞳及出瞳的中心通過(guò)入瞳及出瞳的中心。主光線主光線1L2LQ1Q2Q2Q1QQ2Q1QQABACB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔徑光闌孔徑光闌定義：定義：離軸物點(diǎn)離軸物點(diǎn)發(fā)出的、通過(guò)孔徑光闌中心的光線。發(fā)出的、通過(guò)孔徑光闌中心的光線。 主光線是主光線是通過(guò)孔徑光闌通過(guò)孔徑光闌、參與成像的光束參與成像的光束的的中心光線中心光線。2 2、視場(chǎng)光闌：、視場(chǎng)光闌：限定光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌。限定光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌。物方視場(chǎng)物方視場(chǎng)（能夠清晰成像的物面范圍）（能夠清晰成像的物面范圍）像方視場(chǎng)像方視場(chǎng)入射視場(chǎng)角：主光

5、線入射視場(chǎng)角：主光線入射入射部分與光軸的夾角部分與光軸的夾角0 0出射視場(chǎng)角：出射視場(chǎng)角：主光線主光線出射出射部分與光軸的夾角部分與光軸的夾角0 0 以主光線剛好被視場(chǎng)光闌邊緣遮斷的軸外物點(diǎn)為分界：以主光線剛好被視場(chǎng)光闌邊緣遮斷的軸外物點(diǎn)為分界：入射窗：入射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）視場(chǎng)光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）出射窗：出射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）視場(chǎng)光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）視場(chǎng)光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。視場(chǎng)光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。(2)計(jì)算這些像的邊緣對(duì)入瞳中心的張角大小。張角最小者即為計(jì)算這些像的

6、邊緣對(duì)入瞳中心的張角大小。張角最小者即為入射窗，入射窗對(duì)應(yīng)的光學(xué)零件入射窗，入射窗對(duì)應(yīng)的光學(xué)零件(1)把孔徑光闌以外的所有光孔經(jīng)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到物空間，把孔徑光闌以外的所有光孔經(jīng)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到物空間，確定入瞳中心位置確定入瞳中心位置 。 漸暈現(xiàn)象：漸暈現(xiàn)象：像平面的像平面的邊緣邊緣比中間暗比中間暗（離軸物點(diǎn)）（離軸物點(diǎn)）。漸暈系數(shù)漸暈系數(shù): DDK（漸暈光闌）（漸暈光闌）透鏡邊框起到透鏡邊框起到“攔光攔光”的作用。的作用。 3 3、漸暈光闌、漸暈光闌光學(xué)系統(tǒng)的景深 景深與哪些因素有關(guān)？對(duì)成像的影響是什么？物距，孔徑有關(guān)（相對(duì)孔徑，焦距。）點(diǎn)物成像為圓斑，像變模糊pp1p1p2p2p

7、成像空間的景深：成像空間的景深： 在景象平面上所獲得的成清晰像的在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度物空間深度。 遠(yuǎn)景遠(yuǎn)景平面平面近景平面近景平面12 入瞳中心：入瞳中心：物空間參數(shù)物空間參數(shù)的起算原點(diǎn)的起算原點(diǎn) 出瞳中心：出瞳中心：像空間像空間參數(shù)參數(shù)的起算原點(diǎn)的起算原點(diǎn) 總成像深度總成像深度景深景深224tan4tanpUU Upatan22物方孔徑角物方孔徑角U：軸上物點(diǎn)：軸上物點(diǎn)-入瞳邊緣連線與光軸的夾角。入瞳邊緣連線與光軸的夾角。2,aU 眼睛眼睛ppu2a2122224a=4pap v 孔徑光闌孔徑光闌光圈光圈相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑D/f(入瞳直徑與焦距之比入瞳直徑與焦距之比)App

8、lied Optics第六章 像差七種像差的形成原因、表現(xiàn)形式，對(duì)成像的影響。 如何減小像差（球差、慧差等）系統(tǒng)分辨率基本概念u實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)只在近軸區(qū)域成完善像。實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)只在近軸區(qū)域成完善像。u像差是由實(shí)際光路和理想光路之間差別而引起的成像缺陷。像差是由實(shí)際光路和理想光路之間差別而引起的成像缺陷。u單色像差：?jiǎn)紊癫睿汗鈱W(xué)系統(tǒng)對(duì)單色光成像所產(chǎn)生的像差光學(xué)系統(tǒng)對(duì)單色光成像所產(chǎn)生的像差，包括：包括：等五種。等五種。u色差：色差：由不同折射率引起的不同波長(zhǎng)光線的成像位置和大由不同折射率引起的不同波長(zhǎng)光線的成像位置和大小也不同。包括：小也不同。包括：和和。u實(shí)際波面與理想球面波的偏差稱(chēng)為實(shí)際波面與

9、理想球面波的偏差稱(chēng)為。對(duì)于對(duì)于寬光束寬光束，軸外主光線和共軸系統(tǒng)的光軸不重合軸外主光線和共軸系統(tǒng)的光軸不重合，使出射光束失去對(duì)稱(chēng)使出射光束失去對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生，產(chǎn)生彗差、像散和像面彎曲彗差、像散和像面彎曲；1、球差軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)折射面折射后，不同軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)折射面折射后，不同孔經(jīng)角孔經(jīng)角U U的光線交光軸于不同點(diǎn)上，相對(duì)于理想像點(diǎn)的位置有不的光線交光軸于不同點(diǎn)上，相對(duì)于理想像點(diǎn)的位置有不同的偏離，這就是球面像差，簡(jiǎn)稱(chēng)球差同的偏離，這就是球面像差，簡(jiǎn)稱(chēng)球差。（它它由孔徑由孔徑引起）引起）lLLu與與h1或或U1有關(guān)有關(guān)u對(duì)稱(chēng)性對(duì)稱(chēng)性u(píng)與與視場(chǎng)角無(wú)關(guān)視場(chǎng)角無(wú)

10、關(guān)單正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差單正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差，單，單負(fù)透鏡產(chǎn)生正負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差球差對(duì)于單個(gè)折射球面，在以下三種情況時(shí)球差為零：對(duì)于單個(gè)折射球面，在以下三種情況時(shí)球差為零： （1）L0 0，此時(shí)，此時(shí)L必為零，即必為零，即。 （2 2）光線和光線和球面法線重合，球面法線重合，。 （3 3） 。 UIUI0sinsin或2、彗差u既與既與孔徑孔徑有關(guān)，也與有關(guān)，也與視場(chǎng)視場(chǎng)有關(guān)。有關(guān)。軸外點(diǎn)寬光束軸外點(diǎn)寬光束成像后成像后失去對(duì)稱(chēng)性失去對(duì)稱(chēng)性的的情況。情況。正弦差正弦差適用于小視場(chǎng)小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，而慧差慧差可用于任何視場(chǎng)任何視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)。子午子午彗差：彗差： 上下上下光線光線的交點(diǎn)偏離主的交點(diǎn)偏離主光

11、線光線弧矢弧矢彗差：彗差： 前后前后光線光線的交點(diǎn)偏離主的交點(diǎn)偏離主光線光線3、場(chǎng)曲某一視場(chǎng)的某一視場(chǎng)的子午像點(diǎn)子午像點(diǎn)、弧、弧矢像點(diǎn)相對(duì)于高斯矢像點(diǎn)相對(duì)于高斯像面的像面的距離距離稱(chēng)為子午稱(chēng)為子午像像面彎曲面彎曲和弧矢像面彎曲和弧矢像面彎曲，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲。子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲。 u只與視場(chǎng)有關(guān)只與視場(chǎng)有關(guān)，與孔徑無(wú)關(guān)與孔徑無(wú)關(guān)。u視場(chǎng)為零，則場(chǎng)曲為零。視場(chǎng)為零，則場(chǎng)曲為零。4、像散 軸軸外點(diǎn)發(fā)出的細(xì)（寬）光束的外點(diǎn)發(fā)出的細(xì)（寬）光束的子午像點(diǎn)與弧矢像點(diǎn)不重合子午像點(diǎn)與弧矢像點(diǎn)不重合，兩者兩者分開(kāi)的軸向距離分開(kāi)的軸向距離稱(chēng)為像散。稱(chēng)為像散。u子午像面和弧矢像面像散均為對(duì)稱(chēng)于光軸子午

12、像面和弧矢像面像散均為對(duì)稱(chēng)于光軸的的 旋轉(zhuǎn)曲面。旋轉(zhuǎn)曲面。u有像散必有場(chǎng)曲有像散必有場(chǎng)曲，但，但像散為零時(shí)，場(chǎng)曲像散為零時(shí)，場(chǎng)曲不一定不一定為零為零。5、畸變 當(dāng)當(dāng)孔闌孔闌位置移動(dòng)，位置移動(dòng)，主光線主光線與高斯像面交點(diǎn)與高斯像面交點(diǎn)高度高度yp變化變化，引，引起起像的變形像的變形。（主光線的像差主光線的像差）u畸變是畸變是垂軸像差垂軸像差，只改變軸外點(diǎn)在理想像面上，只改變軸外點(diǎn)在理想像面上的位置的位置，使像，使像失真，但失真，但不影響像的清晰度不影響像的清晰度。u畸變是畸變是視場(chǎng)視場(chǎng)的函數(shù)的函數(shù)。 對(duì)對(duì)白光成像白光成像的光學(xué)系統(tǒng)，由于材料對(duì)不同波長(zhǎng)的的光學(xué)系統(tǒng)，由于材料對(duì)不同波長(zhǎng)的色光折射率色

13、光折射率不同不同，使，使各色光線具有不同的各色光線具有不同的成像位置成像位置和和倍率倍率。按色光按色光波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)，其像點(diǎn)其像點(diǎn)離透鏡由近到遠(yuǎn)離透鏡由近到遠(yuǎn)地排列在光軸地排列在光軸上。這種現(xiàn)象就是上。這種現(xiàn)象就是位置色差位置色差，也稱(chēng)也稱(chēng)軸向色差軸向色差。 軸外點(diǎn)軸外點(diǎn)物點(diǎn)，兩種色光兩種色光的垂軸放大率不垂軸放大率不一定相等相等引起同一物體成像大小不同，稱(chēng)為倍率色差倍率色差(或放大率色差或垂軸色差)光學(xué)系統(tǒng)的倍率色差是以?xún)煞N色光的主光線在消單色光像差的兩種色光的主光線在消單色光像差的高斯像面上交點(diǎn)高度之差高斯像面上交點(diǎn)高度之差來(lái)量度。 實(shí)際波面與理想波面間存在偏差實(shí)際波面與理想波面

14、間存在偏差，當(dāng)，當(dāng)實(shí)際波面與理想波面在出瞳實(shí)際波面與理想波面在出瞳處相切時(shí)，兩波面間的光程差就是波像差。處相切時(shí)，兩波面間的光程差就是波像差。u 波波像差為像差為孔徑孔徑的函數(shù)。的函數(shù)。u 幾何幾何像差大時(shí)，波像差也大像差大時(shí)，波像差也大。u 對(duì)對(duì)軸上像點(diǎn)，單色波像差軸上像點(diǎn)，單色波像差由由 球差球差決定。決定。u 波波像差小，像質(zhì)好。像差小，像質(zhì)好。第第五五章章 光度學(xué)和色度學(xué)光度學(xué)和色度學(xué)一一. 輻射量輻射量1. 輻射能輻射能: 反射、傳輸、接收的能量，單位反射、傳輸、接收的能量，單位焦耳焦耳。 2. 輻通量：輻通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)的的輻射能。輻射能。 3. 輻出度：輻出度：輻射源輻

15、射源單位發(fā)射面積單位發(fā)射面積發(fā)出的輻通量發(fā)出的輻通量。eQ2 W / meedQdt 單位：2W / meedMdA 單位：4. ：輻射照射面單位輻射照射面單位受照受照面積上接收的輻通量。面積上接收的輻通量。 5. 輻強(qiáng)度：輻強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源點(diǎn)輻射源在在單位立體角單位立體角發(fā)出的輻通量。發(fā)出的輻通量。 6.輻輻亮度亮度： 發(fā)光源的元面積在發(fā)光源的元面積在 方向的輻量度為該輻射面方向的輻量度為該輻射面在垂直于該方向的平面上的單位投影面積在單位立體角在垂直于該方向的平面上的單位投影面積在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻通量。（表征內(nèi)發(fā)出的輻通量。（表征有限尺寸輻射源有限尺寸輻射源輻射通量的空輻射通量的空間分布）

16、間分布）dAdEeeddIeedAddLeecos單位：?jiǎn)挝唬篧/(srm2) 單位：?jiǎn)挝唬篧/sr 單位：?jiǎn)挝唬篧/m2 二二. 光學(xué)量光學(xué)量與輻射量相對(duì)應(yīng)，有以下的光學(xué)量（與輻射量相對(duì)應(yīng)，有以下的光學(xué)量（下標(biāo)下標(biāo)V）1. 光通量光通量: 輻通量輻通量的光量度，標(biāo)度可見(jiàn)光對(duì)人眼視覺(jué)刺激程的光量度，標(biāo)度可見(jiàn)光對(duì)人眼視覺(jué)刺激程度的度的量。（即量。（即若干輻射能相當(dāng)于多少若干輻射能相當(dāng)于多少光。）流明光。）流明lm （輻通量）輻通量）1. 光出射度光出射度: lm /m2 （輻出度）輻出度） 2. 光照度光照度:單位面積單位面積上得到的上得到的光通量，光通量， (lm /m2) （輻照度）輻照度）

17、: 單位單位立體角立體角內(nèi)發(fā)出的內(nèi)發(fā)出的光通量光通量，cd （輻強(qiáng)度）輻強(qiáng)度）4. 光亮度光亮度:描述描述有限大小光源有限大小光源的發(fā)光特性的發(fā)光特性cd /m2 （輻亮度）輻亮度）發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度光亮度光亮度vedIdvvcosdLidSd光學(xué)光學(xué)量和輻射量間的關(guān)系量和輻射量間的關(guān)系wlmKwlmKdVKddVKdmmemvemv/1755/683)()()()()()(暗視覺(jué)條件下：明視覺(jué)條件下：在很小的波長(zhǎng)范圍內(nèi)：在很小的波長(zhǎng)范圍內(nèi)： 光通量就是將輻通量以視見(jiàn)函數(shù)為權(quán)重以視見(jiàn)函數(shù)為權(quán)重因子因子折合成對(duì)人眼視覺(jué)的有效通量。余弦余弦輻射輻射體（體（朗朗伯輻射伯輻射體體）cosNII 常數(shù)dAIdAIdAILNNcoscoscos輻射源各方向上的輻射亮度不變各方向上的輻射亮度不變，輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度隨觀察方向與面源法線之間的夾角的變化遵守余弦規(guī)律遵守余弦規(guī)律，這類(lèi)輻射源稱(chēng)為朗伯輻射體。ULnnULEUnUnAddAULdAUAdLULdA222222222sinsin1sinsin1sinsinsin所以：為透射比，則：設(shè)成像成像系統(tǒng)像面的光照度系統(tǒng)像面的光照度軸上像點(diǎn)的照度與孔徑軸上像點(diǎn)的照度與孔徑角正弦角正弦的平方成正比，與的平方成正比，與線放大率線放大率的平的平方成反比。方成反比。軸軸外像點(diǎn)的光照度外