大學光學經(jīng)典課件L_光闌ppt課件

1、1 光闌定義：光闌定義： 光具組內(nèi)光學元件的邊緣、框架光具組內(nèi)光學元件的邊緣、框架或特別設(shè)置的帶孔屏障稱為光闌?；蛱貏e設(shè)置的帶孔屏障稱為光闌。2 光闌的種類：光闌的種類： 孔徑光闌和視場光闌，孔徑光闌和視場光闌，所謂視場就是能成像的物面范圍。所謂視場就是能成像的物面范圍。3 孔徑光闌和視場光闌孔徑光闌和視場光闌對軸上物點光束的口徑立體角對軸上物點光束的口徑立體角或者發(fā)光截面限制得最多或者發(fā)光截面限制得最多的光闌稱為孔徑光闌的光闌稱為孔徑光闌( (有效光闌有效光闌) )。 對光具組成像的視場限制最多的對光具組成像的視場限制最多的光闌稱為視場光闌。光闌稱為視場光闌?？讖焦怅@限制成像物點的光束口徑，

2、孔徑光闌限制成像物點的光束口徑，視場光闌限制成像的物面范圍，即物點個數(shù)。視場光闌限制成像的物面范圍，即物點個數(shù)。 5確定孔徑光闌的方法確定孔徑光闌的方法(1) (1) 把光具組中一切光闌當作物，把光具組中一切光闌當作物， 逐個地相對其前方系統(tǒng)成像。逐個地相對其前方系統(tǒng)成像。 由軸上物點向每個像的邊緣引直由軸上物點向每個像的邊緣引直 線，其中與主光軸所夾銳角最小線，其中與主光軸所夾銳角最小 的即為入射孔徑角的即為入射孔徑角0u， 對應(yīng)的像即為入射光瞳，入射對應(yīng)的像即為入射光瞳，入射光瞳對應(yīng)的共軛物即為孔徑光闌。光瞳對應(yīng)的共軛物即為孔徑光闌。3 3將孔徑光闌向其后方系統(tǒng)成像，將孔徑光闌向其后方系統(tǒng)

3、成像， 即為出射光瞳。由軸上像點出射即為出射光瞳。由軸上像點出射 光瞳邊緣連直線，與主光軸所夾光瞳邊緣連直線，與主光軸所夾 銳角即為出射孔徑角銳角即為出射孔徑角 。0u1 1只能向像的邊緣連線來比較誰對只能向像的邊緣連線來比較誰對 光束孔徑限制得最厲害。光束孔徑限制得最厲害。 2 2孔徑光闌的位置與軸上物點的位置有關(guān)?？讖焦怅@的位置與軸上物點的位置有關(guān)。3 3調(diào)查的是對軸上物點通光孔徑的限制程度。調(diào)查的是對軸上物點通光孔徑的限制程度。4 4物點在無窮遠處時，往往可以直接比較來確定。物點在無窮遠處時，往往可以直接比較來確定。5 5確定孔徑光闌有兩種方法：計算法和作圖法。確定孔徑光闌有兩種方法：計

4、算法和作圖法。 7孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳 三者之間的關(guān)系和各自的作用三者之間的關(guān)系和各自的作用孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳三者之間孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳三者之間 的關(guān)系是物像共軛關(guān)系。的關(guān)系是物像共軛關(guān)系。孔徑光闌的作用是控制光束的入射和出射能量，孔徑光闌的作用是控制光束的入射和出射能量， 大多數(shù)情況下間接實施控制。大多數(shù)情況下間接實施控制。對入射光束的直接控制由入射光瞳來承當，對入射光束的直接控制由入射光瞳來承當，對出射光束的直接控制由出射光瞳來承當。對出射光束的直接控制由出射光瞳來承當。8主光線和漸暈景象：主光線和漸暈景象：主光線的定義：經(jīng)過入射光瞳

5、中心、有效光闌中心和出射光瞳中經(jīng)過入射光瞳中心、有效光闌中心和出射光瞳中心的光線稱為主光線。每個物點僅對應(yīng)一條主光心的光線稱為主光線。每個物點僅對應(yīng)一條主光線。線。漸暈景象：像面邊緣逐漸變暗的景象。漸暈景象：像面邊緣逐漸變暗的景象。12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗視視闌闌入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔闌闌像面像面L9視場光闌的定義視場光闌的定義對軸外物點的主光線限制最多的對軸外物點的主光線限制最多的光闌稱為視場光闌。光闌稱為視場光闌。12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗視視闌闌入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔闌闌像面像面L1010視場光闌確實定方法視場光闌確實定方

6、法1 1由入射光瞳中心向由前方系統(tǒng)所成由入射光瞳中心向由前方系統(tǒng)所成 像的邊緣引直線，其中與主光軸夾像的邊緣引直線，其中與主光軸夾 角最小的銳角稱為入射視場角角最小的銳角稱為入射視場角 0， 對應(yīng)的像為入射窗，入射窗對應(yīng)的對應(yīng)的像為入射窗，入射窗對應(yīng)的共軛物即為視場光闌。共軛物即為視場光闌。12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗視視闌闌入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔闌闌像面像面L2 2視場光闌經(jīng)后方系統(tǒng)所成的像稱為視場光闌經(jīng)后方系統(tǒng)所成的像稱為 出射窗。出射窗的邊緣與出射光瞳出射窗。出射窗的邊緣與出射光瞳 中心的連線與主光軸所夾銳角稱為中心的連線與主光軸所夾銳角稱為 出射視場角出射

7、視場角 012341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗視視闌闌入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔闌闌像面像面L 在一個完好的光學系統(tǒng)中兩個以上光學器件組成的光學系統(tǒng)， 孔徑光闌和視場光闌不能由同一個孔徑光闌和視場光闌不能由同一個器件兼任。器件兼任。1212視場光闌，入射窗和出射窗視場光闌，入射窗和出射窗 之間的關(guān)系之間的關(guān)系視場光闌，入射窗和出射窗三者之間視場光闌，入射窗和出射窗三者之間 的關(guān)系是物像共軛關(guān)系。的關(guān)系是物像共軛關(guān)系。 12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗視視闌闌入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔闌闌像面像面L視場光闌對物面范圍和像面范圍大小都能視場光闌對物面范圍和像

8、面范圍大小都能 限制，大多數(shù)情況下間接實施控制，限制，大多數(shù)情況下間接實施控制，對物面范圍的直接限制由入射窗來承當，對物面范圍的直接限制由入射窗來承當，對像面范圍的直接限制由出射窗來承當。對像面范圍的直接限制由出射窗來承當。12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗視視闌闌入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔闌闌像面像面L例題：孔徑都等于例題：孔徑都等于4cm的兩個薄透鏡組成同軸光具組，一個的兩個薄透鏡組成同軸光具組，一個透鏡是會聚的，其焦距為透鏡是會聚的，其焦距為5cm；另一個是發(fā)散的，其焦距為；另一個是發(fā)散的，其焦距為10cm。兩個透鏡中心的間隔為。兩個透鏡中心的間隔為4cm。對于會聚透

9、鏡前面。對于會聚透鏡前面6cm處的物點，試問：處的物點，試問：(1)哪一個透鏡是有效光闌？哪一個透鏡是有效光闌？(2)入射光瞳和出射光瞳的位置在哪里？其大小各等于多少？入射光瞳和出射光瞳的位置在哪里？其大小各等于多少？1將發(fā)散透鏡作為物對凸透鏡成像：將發(fā)散透鏡作為物對凸透鏡成像：4,5scm fcm 111ssf20scm代入高斯公式代入高斯公式20syycms像高像高發(fā)散透鏡經(jīng)會聚透鏡所成的像對物點所張的孔徑角為發(fā)散透鏡經(jīng)會聚透鏡所成的像對物點所張的孔徑角為210221 230626oLyuarctgarctgscm4( 10)2.857,4102.85742.8574sfcmcmscmsf

10、cmcmscmyycmscm 2L1為入射光瞳，其直徑為為入射光瞳，其直徑為4cm。12218 2666oLyuarctgarctgcm會聚透鏡對物點所張的孔徑角為會聚透鏡對物點所張的孔徑角為所以會聚透鏡為同軸光具組的有效光闌所以會聚透鏡為同軸光具組的有效光闌L1經(jīng)經(jīng)L2成的像為出射光瞳，其位置和大小分別為：成的像為出射光瞳，其位置和大小分別為：1 1光度學和輻射度學光度學和輻射度學光度學：研討光的強弱的學科光度學：研討光的強弱的學科輻射度學：研討各種電磁輻射強弱的學科輻射度學：研討各種電磁輻射強弱的學科2 2輻射能通量輻射功率和輻射輻射能通量輻射功率和輻射 能通量的譜密度能通量的譜密度單位時

11、間內(nèi)光源發(fā)出或經(jīng)過一定接納截面單位時間內(nèi)光源發(fā)出或經(jīng)過一定接納截面的輻射能的輻射能 單位：瓦單位：瓦 輻射能通量的譜密度：輻射能通量的譜密度： dd)(d0)(輻射能通量輻射能通量 的定義：的定義：3) 3) 視見函數(shù)視見函數(shù)定義：定義： 5550( )VV=1 實驗闡明：實驗闡明： 要引起與要引起與1mw的的5550A的綠光一樣亮暗覺得的的綠光一樣亮暗覺得的 4000A紫光需求紫光需求2.5w.0004. 05 . 2103WWV時，時， 05550A， 04000A在在4000A-7600A范圍以外，范圍以外，V實踐上已趨于實踐上已趨于04) 4) 適光性和適暗性視見函數(shù)適光性和適暗性視見

12、函數(shù) 由于眼睛里的圓錐和圓柱視神經(jīng)細胞由于眼睛里的圓錐和圓柱視神經(jīng)細胞 在分別起作用，構(gòu)成了適光性和適暗性在分別起作用，構(gòu)成了適光性和適暗性 視見函數(shù)。視見函數(shù)。在昏暗的環(huán)境中，視見函數(shù)在昏暗的環(huán)境中，視見函數(shù)的極大值朝短波方向挪動。的極大值朝短波方向挪動。所以在月光朦朧的夜晚，總所以在月光朦朧的夜晚，總感到周圍的一切覆蓋了一層感到周圍的一切覆蓋了一層藍綠的顏色。藍綠的顏色。5) 光通量光通量定義：定義： 光源發(fā)出的輻射能通量經(jīng)過視見函光源發(fā)出的輻射能通量經(jīng)過視見函數(shù)的權(quán)重因子折合成對人眼起作用數(shù)的權(quán)重因子折合成對人眼起作用的有效視覺強度稱為光通量。的有效視覺強度稱為光通量。單位：流明，單位：

13、流明， 記作：記作： lm有：有： )(V或者：或者： dVKdm)()(dVKm)()(最大光功當量，最大光功當量， WlmKm/6836) 6) 發(fā)光強度和輻射強度發(fā)光強度和輻射強度1點光源和面光源：點光源和面光源：2發(fā)光強度發(fā)光強度 I ：單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量：單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量ddI， 單位：坎德拉， srlmcd111其中 2RdSd， 點光源點光源dra發(fā)光強度的符號與光強的符號雖然一樣， 但與光強不是一個概念。b發(fā)光強度與方向有關(guān)，方向不同 發(fā)光強度不同。4輻射強度：單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量輻射強度：單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量ddI， 其中 2RdSd， srWsrW

14、11/1單位： srW /， 7 7 光亮度和輻射亮度光亮度和輻射亮度1光亮度：面元光亮度：面元ds沿沿 r方向的光度學亮度方向的光度學亮度B定義為在此方向上單位投影面積的發(fā)光強度定義為在此方向上單位投影面積的發(fā)光強度coscos*dSdddSdIdSdIB單位： 或 )/(2srmlm)/(2srcmlm擴展光源擴展光源 法線法線ndSdSdr2輻射亮度：輻射亮度：coscos*dSdddSdIdSdIB單位：單位： )/(2srmW， )/(2srcmW人眼睛感知的是光源的亮度大小，不是發(fā)光強度的強弱。 8 8余弦輻射體和朗伯定律余弦輻射體和朗伯定律1 1余弦朗伯發(fā)射體余弦朗伯發(fā)射體朗伯定

15、律：朗伯定律： cos0dIdI 定義：假設(shè)一擴展光源的發(fā)光強度定義：假設(shè)一擴展光源的發(fā)光強度cos ,dI從而其亮度從而其亮度B與方向無關(guān)，這類發(fā)射體與方向無關(guān)，這類發(fā)射體稱為余弦發(fā)射體。稱為余弦發(fā)射體。證明：證明：太陽中心處： 01dIdIBdSdS太陽邊緣部分的同樣方向： 0021cos*cosdIdIdIBBdSdSdSdSdSdSdIId dI由于： 0cosdIdI2 2余弦反射體：余弦反射體： 如積雪、非常粗造的白紙等物體，也遵照朗伯定律。 3 3定向發(fā)射體：定向發(fā)射體： 比如：激光器。 激光器發(fā)出的光束通常是截面S很小而高度平行，從而用不大的輻射功率就可獲得極大的輻射亮度。9 9光照度和輻射照度光照度和輻射照度1光照度定義：照射在單位面積上的光通量光照度定義：照射在單位面積上的光通量dSdE， 單位：lx或ph phlx41012輻射照度定義：照射在單位面積上的輻射通量輻射照度定義：照射在單位面積上的輻射通量單位：W/cm2或W/m2 2/1mmlx ， 2/cmlmph ， dSdE， 3點光源的照度22coscosrIrdSIdSdSIddSdE21 rE cosE， d點光源點光源法線法線nSd r4面光源的照度22coscoscoscoscosrBdSdSdSrdSBdSBdd2coscosrBdSdSddESdSrBE2coscosa光強的概念與