第四章 光闌和光能計算

1、第四章第四章 光闌和光能計算光闌和光能計算許劍QQ：381203482Phone：138260419412015年秋第四章第四章 光闌和光能計算光闌和光能計算1.孔徑光闌；2.視場光闌；3.像平面的光照度；4.光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計算；5.景深和焦深。第四章第四章 光闌和光能計算光闌和光能計算l實際光路中，并不是所有的光都是有用的，如何去限制光路中的部分光？l使用光闌！l光闌的作用？l限制部分成像物體的光束；限制來自非成像物體的雜光。l既然限制了部分的光，這將對哪些物理量產(chǎn)生影響？l光能量和成像空間深度！孔徑光闌孔徑光闌l孔徑光闌：限制進(jìn)入系統(tǒng)的成象光束口徑的光闌。l入瞳：孔徑光闌經(jīng)前面的光學(xué)

2、系統(tǒng)在物空間所成的像。l出瞳：孔徑光闌經(jīng)后面的光學(xué)系統(tǒng)在像空間所成的像。l出瞳可看作是入瞳經(jīng)整個系統(tǒng)所成之像，入瞳與出瞳是相共軛的。l不同物體，光闌，入（出）瞳一般是不同的！孔徑光闌孔徑光闌l判斷入瞳、出瞳（適用軸上物體）：l將光學(xué)系統(tǒng)中所有的光學(xué)元件的通光口徑分別對其前（后）面的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的物（像）空間去，并根據(jù)各像的位置及大小求出它們對軸上物（像）點的張角，其中張角最小者為入瞳（出瞳）。l確定孔徑光闌：l在確定入（出）瞳后，與l入（出）瞳共軛的實際光l闌即為孔徑光闌?？讖焦怅@孔徑光闌l對于軸外物點，有一新的物理量-主光線！l主光線-通過孔徑光闌中心的光線；l邊緣光線-通過孔徑光闌邊

3、緣的光線。l主光線或其延長線分別通過光闌和光瞳的中心；l邊緣光線或其延長線分別通過光闌和光瞳的邊緣?？讖焦怅@孔徑光闌l孔徑光闌設(shè)置原則：l除了由于某種特殊需要而要求孔徑光闌要置于特定位置外，一般情況下的設(shè)置原則為：1.大小滿足系統(tǒng)對成像光能量的要求和對物體分辨能力的要求；2.位置滿足成像質(zhì)量要求；3.大小和位置應(yīng)使光學(xué)儀器的外形尺寸盡可能??；孔徑光闌孔徑光闌l物方遠(yuǎn)心光路：l定義：物方主光線平行于光軸，主光線的會聚中心位于物方無限遠(yuǎn)處；l位置：光闌放置在像方焦平面；l作用：消除或減少由于視差引起的測量誤差?？讖焦怅@孔徑光闌l像方遠(yuǎn)心光路：l定義：像方主光線平行于光軸，主光線的會聚中心位于像方無

4、限遠(yuǎn)處；l位置：光闌放置在物方焦平面；l作用：消除或減少由于調(diào)焦引起的測量誤差?？讖焦怅@孔徑光闌l場鏡：l定義：在連續(xù)成像的組合系統(tǒng)中，為了使前一光組的出射光束都能進(jìn)入后一光組，又不使后一光組的通光口徑過大而在中間像平面上加入的減小光束寬度的透鏡。l確定場鏡焦距的方法：l物像關(guān)系式：fll111視場光闌視場光闌l入窗：視場光闌經(jīng)前面的光組在物空間所成的像；l出窗：視場光闌經(jīng)后面的光組在象空間所成的像；l視場光闌：用來限制成像范圍的光闌；l角視場：入（出）瞳中心與入（出）窗邊緣連線的夾角；l線視場：入（出）瞳中心與入（出）窗邊緣連線和物面焦點之間的線距離。視場光闌視場光闌l入（出）窗決定了物（像

5、）方視場角的大小；l判斷入（出）窗：l將所有光學(xué)元件的通光口徑分別對其前（后）的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的物（像）空間去，并根據(jù)各像的位置及大小求出它們對入（出）瞳中心的張角，其中張角最小者為入出）窗。l確定視場光闌：按前面方法確定入（出）窗，與入（出）窗共軛的實際光闌即為視場光闌。視場光闌視場光闌l漸暈：軸外點發(fā)出的充滿入瞳的光被透鏡的通光口徑所攔截而產(chǎn)生的現(xiàn)象。l線漸暈系數(shù)：軸外點與軸上點成像光束在入瞳面上線度之比；l面漸暈系數(shù)：軸外點與軸上點成像光束在入瞳面上面積之比。像平面的光照度像平面的光照度l光能計算中的基本物理量l1，如何衡量某處輻射的大?。縧定義輻射通量：單位時間內(nèi)通過單位面積的全部

6、波長的輻射能量l單位：瓦（W）l2，同樣輻射通量的不同波長的輻射，人眼的感覺是不同的，如何定義？l定義視見函數(shù)：取人眼在最靈敏波長下的視見函數(shù)為1，即歸一化。l如表4.10de像平面的光照度像平面的光照度l3，以人眼為出發(fā)點，如何定義明暗？l定義光通量：能引起人眼視覺的那部分輻射通量l單位：流明（lm）l4，在這里，發(fā)光是為了人眼能感受到，如何定義效率？l定義發(fā)光效率：光通量與輻射通量之比l由于光通量約定俗成的原因，發(fā)光效率沒有歸一化。0dVe像平面的光照度像平面的光照度l5，如果光源往不同方向的發(fā)光強(qiáng)度不同，如何從人眼的角度去定義？l定義發(fā)光強(qiáng)度：單位立體角內(nèi)的光通量l單位：坎德拉（cd）l

7、立體角的定義：l對全空間有：ddI2rdSd4422rrd像平面的光照度像平面的光照度l6，人眼接收的光除了直接來自光源，還會來自于物體的反射，如何定義這時候的光的強(qiáng)度？l定義光照度：單位面積上接受的光通量l單位：勒克司（lx）l人需要適合的光照度才有利于工作，具體見表4.3dSdE像平面的光照度像平面的光照度l7，但物體反射的能力有大小之分，如何處理？l定義光出射度：單位面積上物體發(fā)出的光通量l單位：勒克司（lx）l定義反射系數(shù)：光出射度與光照度之比l具體例子見表4.4dSdMEM像平面的光照度像平面的光照度l8，發(fā)光強(qiáng)度的定義更適用于點光源，如果光源是平面等有形狀的，其強(qiáng)度如果定義？l定義

8、光亮度：單位面積單位立體角的光通量l單位：尼特（nt）l光亮度與發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系：ddSdLcosdSILcos像平面的光照度像平面的光照度l如果考慮有折射的情況，光亮度有什么不同？l立體角 ，單位光通量l假設(shè)折射不損耗能量 ，即有：l由折射率公式及其微分l可得：l如果折射中存在光能損失：ddIId2, 12, 12, 1sin2, 12, 12, 1ddSLd11dd22221111sincossincosdIIILdIIIL2221112211coscossinsindIIndIInInIn212212nnkLL212212nnLL像平面的光照度像平面的光照度l以上都是某個點所受的光照度，如

9、果是某個平面呢？l最簡單情況是點光源發(fā)光到平面，由 容易得：l如果不是點光源，是面光源，有什么不同？l光源需要考慮大小和角度，考慮立體角 ，結(jié)果：IdddSrd,cos22cosrIdSdE2211222coscoscosrLdSrIdSdE1 , 221 , 22, 1cosdSrd像平面的光照度像平面的光照度l進(jìn)一步考慮有光學(xué)系統(tǒng)的情況，有什么不同？l入（出）瞳不是微面，還要考慮光學(xué)系統(tǒng)兩邊的折射率。l考慮光源在光軸上：l整個入瞳和出瞳的光通量 和l由光亮度傳播規(guī)律 ，像面光照度：UdSL2sinsin2dSUL)(nnkLL sin22UnnkLdSE像平面的光照度像平面的光照度l最后考

10、慮軸外像點的情況，對比光軸和主光線，有：l軸外的情況，有什么能做近似的？lM遠(yuǎn)離光軸，相對來說UM就變的很?。簂結(jié)果：sin2MMULEcossincos2/ cos/ 2/ costansin22UlDlDUUMMcoscossin442EULEM像平面的光照度像平面的光照度l兩燈的發(fā)光強(qiáng)度分別為I1=35cd和I2=95cd，兩者相距1.5m，將兩面都是白色的光屏置于何處才能使屏兩側(cè)有相同的照度？l答：設(shè)白屏位于兩燈的連線之間，如圖：l由l可得：222211coscosrIrIEcdIcdImrr95,35,5 . 12121)(933. 0),(567. 021mmrmmr像平面的光照度

11、像平面的光照度l設(shè)有一個60w的燈泡，其發(fā)光效率為15lm/w，假定把燈泡作為在各方向均勻發(fā)光的點光源，求光源的發(fā)光強(qiáng)度為多少？在距燈泡2m處的垂直照明的屏上的光照度為多少？l答：燈泡的光通量：l發(fā)光強(qiáng)度：l光照度：)(9006015lmP)(66.714900cdI)(915.17cos2lxrIE光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計算光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計算l光能在傳播中總有能量損失，所以 的k肯定小于1。l1，光從一介質(zhì)透射入另一介質(zhì)，介面伴隨反射損失。l反射系數(shù)l透射率：l2，光在光學(xué)材料中傳播，材料對光有吸收。l設(shè)材料光吸收系數(shù)為 ，即有吸收損失下的透射率：222221) (tan) (tan) (sin) (sin21nnnnIIIIIIII1)1 (11Nk22Nek212212nnkLL光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計算光學(xué)系統(tǒng)中光能損失的計算l3，光在反射面上反射，被反射面吸收。l透射率：l 和 的定義為什么不同？l 和 雖然同是反射率，但k1是透射情況下因反射而損失的，k3是直接因反射損失的。l總的透射率：333Nk1)1 (11Nk333Nk1332131321)1 (NNNekkkk景深和焦深景深和焦深l對準(zhǔn)焦面：物面；l遠(yuǎn)景平面