基礎(chǔ)光學(xué)第1章幾何光學(xué)2課件

1、幾何光學(xué)1.7 光學(xué)成像儀器眼睛晶狀體是一個折射率不均勻的透鏡，平均折射率1.44 玻璃體的折射率約為1.34通過睫狀體肌肉的調(diào)解，可以改變晶狀體的焦距。在完全松弛的狀態(tài)下，對無窮遠(yuǎn)點聚焦。此時物方焦距 f = 17.1mm ,像方焦距 f = 22.8mm .肌肉壓縮晶狀體時，可以增大曲率，縮短焦距。 大約可達(dá)到 f 14.2mm , f = 18.9mm 眼睛的軸長不變。使遠(yuǎn)近不同的物體成像在視網(wǎng)膜上。瞳孔的直徑根據(jù)周圍環(huán)境的明暗自動變化，光強(qiáng)時可縮小至2 mm,光暗時則可擴(kuò)大到8 mm，從而起到調(diào)節(jié)外界射入眼球光量的作用。近點和遠(yuǎn)點眼睛的遠(yuǎn)點和近點 眼睛肌肉完全松弛和最緊張時所能清楚看到

2、的點，分別稱為調(diào)焦范圍的遠(yuǎn)點和近點。正常眼睛的遠(yuǎn)點 在無窮遠(yuǎn)處。視角和明視距離明視距離S0 = 25cm, 是觀察任何物體細(xì)節(jié)的最佳距離。用眼睛直接觀察物體，最大視角：物體在視網(wǎng)膜上成像的大小和 物體距離眼睛的距離成反比而成像的大小和物體對眼睛所張的角度 視角成正比最近不能超過明視距離25cm, 否則眼睛易疲倦。眼睛的最小分辨率最小分辨角的計算設(shè)錐狀細(xì)胞直徑 5 mm用眼睛分辯物體上的兩點，就必須保證這兩點在視網(wǎng)膜上成的像點分別落在不同的兩個錐狀細(xì)胞上最小分辨角：能分辨的最相近的兩點，對眼睛所張的角。w放大鏡和目鏡放大鏡：焦距 f 很短的匯聚透鏡。放大鏡的工作方式：眼睛緊靠放大鏡。物體放在焦點

3、F以內(nèi)。像的視角 w 為：放大鏡視角放大率M 為：（像的視角與明視距離處物視角之比）放大鏡的焦距為25mm，則放大鏡的視角放大率為10倍顯微鏡左邊小的透鏡代表一組焦距很短的透鏡組，稱為物鏡（Objective）。右邊大的透鏡代表另一組焦距較長的透鏡組，稱為目鏡（Eyepiece）顯微鏡視角放大率：定義：其中：物鏡的焦距為f1，目鏡的焦距為f2為明視距離處原物視角，并以其為正。則顯微鏡放大率M即M = MoMe Mo是物鏡的橫向放大率 , Me是目鏡的視角放大率顯微鏡的放大率與光學(xué)筒長成正比，與物鏡與目鏡的焦距成反比。放大率是物鏡放大率和目鏡放大率的乘積，而分辨本領(lǐng)卻只決定于物鏡的特性。目鏡只能

4、放大物鏡所能分辨的細(xì)節(jié)，但它不能提高物鏡的分辨能力。望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡是通過光學(xué)成像的方法，將遠(yuǎn)處的物體的像拉近并進(jìn)行放大，以便于人眼進(jìn)行觀測的一種光學(xué)儀器。開普勒望遠(yuǎn)鏡物鏡 和目鏡 的焦距均為正，即開普勒望遠(yuǎn)鏡伽利略望遠(yuǎn)鏡的成像原理圖物鏡的焦距為正，目鏡的焦距為負(fù)，為伽利略望遠(yuǎn)鏡。無限遠(yuǎn)處的物體發(fā)出的光束，在物鏡上與光軸有較小夾角 ，經(jīng)物鏡 Le后會聚于物鏡Lo像方焦平面上一點，此光束經(jīng)目鏡后成為與光軸較大- 夾角的光束,然后被人眼接收。開普勒望遠(yuǎn)鏡的成像原理圖物鏡的焦距越大，目鏡的焦距越小，則所得望遠(yuǎn)鏡的放大率越大。開普勒望遠(yuǎn)鏡的放大率照相機(jī)物距遠(yuǎn)大于鏡頭的焦距，即 物體所成的像在像方焦點附近，

5、即鏡頭是照相機(jī)的眼睛，它和人的眼睛一樣，能使被攝物體形成像，并記錄在感光元件，即現(xiàn)在常用的CCD上?？扉T是控制曝光的主要部件，有鏡頭快門和焦平面快門兩類。光圈是用來控制進(jìn)入鏡頭的光線的多少的孔徑光闌。景深景深在光學(xué)中，尤其是錄影或是攝像中，用來描述在被攝空間中可以清楚成像的物距范圍。物點A通過光學(xué)系統(tǒng)在像空間所成的像點為A，設(shè)像點A所在的平面即為要求成像的平面，稱為景象平面設(shè)兩個物點B1 、B1 的像點為B1 、 B2 ，在CCD平面上形成兩個彌散斑Z1 、 Z2 。因為在實際拍攝中，物點所成的像是由CCD接收的，只要彌散斑的大小不大于CCD的單元像素的面積，就可以認(rèn)為物點在CCD接收平面上成

6、了清晰的像。能在像平面上形成足夠清晰像的物空間的深度稱為光學(xué)系統(tǒng)的景深。能形成足夠清晰像的最遠(yuǎn)平面(如物點 所在的平面)，稱為遠(yuǎn)景。能成足夠清晰像的最近平面(如物點 所在的平面)，稱為近景。遠(yuǎn)景與近景離對準(zhǔn)平面的距離分別稱為遠(yuǎn)景深度和近景深度，兩個之和為景深。景深投影儀投影的畫片放置在投影儀鏡頭的焦點附近，即 屏幕放置在較遠(yuǎn)的地方，即 放大率近似為 液晶投影儀是目前常用的投影設(shè)備，通過利用液晶的電光效應(yīng)，產(chǎn)生具有不同灰度層次及顏色的圖像。液晶投影儀分為單片式液晶投影儀與三片式液晶投影儀1.8 光學(xué)度和光闌光度學(xué)測量光的強(qiáng)弱明暗的學(xué)科。用單位時間內(nèi)面積元輻射出的所有波長的總能量表示，稱為面元dS

7、的輻射通量，用 表示，在國際單位制中，輻射通量的單位是瓦 (W ).輻射通量波長分布函數(shù)e()（或稱能量的光譜分布函數(shù)） 它是指波長處、波長間隔 為1單位的光，在單位時間內(nèi)通過該面積元的輻射通量。由面積元發(fā)出的所有波長的總輻射通量可寫作視見函數(shù)視見函數(shù)波長為555nm的光和某一任意波長的光，產(chǎn)生同樣亮暗感覺所需的能通量之比（在明亮環(huán)境中，錐狀細(xì)胞對= 555nm的光最敏感）圖中實線為在光照充分的條件下得到的人眼視見函數(shù)曲線，稱為亮光視見函數(shù)曲線；虛線為在光線較弱的條件下得到的人眼視見函數(shù)曲線，稱為微光視見函數(shù)曲線。產(chǎn)生同等強(qiáng)度的視覺時，波長為700 nm的紅光所需要的輻射通量是波長為555 n

8、m的黃綠光輻射通量的250倍，即：光通量光通量：波長為555nm的光功當(dāng)量發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度定義為沿此方向上單位立體角發(fā)出的光通量該光源沿此方向的發(fā)光強(qiáng)度為光源發(fā)射出的總的光通量為于各向同性的點光源：照度照射在單位面積上的光通量，稱為該點的照度單位：勒克斯（lux, 記為lx) 或輻透（phot，記為ph)1 lx = 1 lm/m21 ph = 1 lm/cm2對于點光源來說照度為R為點光源距受光物體元面積dS中心的距離亮度亮度：表征發(fā)光強(qiáng)弱的物理量，用L表示。單位cd/m2則面光源：實際光源大部分部有一定的發(fā)光面積，這種光源稱為面光源，或擴(kuò)展光源。光闌光闌：光學(xué)系統(tǒng)中可以起到光束限制作用的元

9、件。分為孔徑光闌和視場光闌?？讖焦怅@：控制進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的有效光能量的光闌，又稱有效光闌如圖DD為孔徑光闌孔徑光闌通過它前面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像稱為入射光瞳，簡稱入瞳，記為En.P.，它決定著進(jìn)入系統(tǒng)光束的大小，如圖所示的DD?？讖焦怅@通過它后面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像稱為出射光瞳，簡稱出瞳，記為Ex.P.，它決定著從系統(tǒng)出射光束的大小，如圖所示的DD。確定任何光具組有效光闌的方法是：先求出每一個給定光闌包括透鏡邊緣對其物空間的光學(xué)系統(tǒng)所成的像，找出所有這些像和第一個透鏡邊緣對指定的物點所張的角，在這些角中找出最小的那一個，和這最小張角對應(yīng)的光闌就是對于該物點的有效光闌。視場光闌、入射窗和出射窗視場光闌

10、經(jīng)它前面系統(tǒng)在物空間所成的像稱為入窗；視場光闌經(jīng)它后面系統(tǒng)在像空間所成的像為出窗。1.9 相差由于實際光學(xué)系統(tǒng)的成像條件不滿足理想成像的要求，所成的像或者不清晰，或與物體在幾何上不相似，或與物的顏色不同，我們通常把光學(xué)系統(tǒng)實際成像與理想成像的偏差統(tǒng)稱為像差像差包括單色像差和色像差單色像差:單色光成像時產(chǎn)生的像差，包括球差、彗差、像 散、場曲和畸變五種初級像差。色像差：復(fù)色光成像時，由于介質(zhì)對不同色光不同的折射率 產(chǎn)生的像差，包括位置像差和放大率像差。球差軸上物點發(fā)出的寬光束經(jīng)薄透鏡后不再交于一點，這種現(xiàn)象叫做球面像差，簡稱球差。傍軸光線在像空間與主軸交點為P，像距為s；邊緣光線與主軸交點為P，

11、像距為s。用垂直于主軸的光屏觀察時，找不到極小的像點，看到的是彌散的圓形光斑-彌散斑，這時我們稱該光學(xué)系統(tǒng)對給定物點的成像存在著球差。球差的大小可以用像距s和s的差值 來度量?；鄄畎S物點Q發(fā)出的光束經(jīng)透鏡后在像平面上不再交于一點，而是形成狀如彗星的亮斑，這種像差稱為彗形像差，簡稱彗差。球差和彗差不易分別，只有當(dāng)軸上物點的球差消除時，才能明顯地觀察到傍軸物點的彗差。在軸上物點的球差已被消除的條件下，傍軸物點以寬光束成像的條件是其中，n、n 分別為物、像方折射率， y、y分別為物、像高， u、u分別為物、像方孔徑角。滿足公式則能消除彗差，稱為正弦條件。像散和場曲遠(yuǎn)軸物點發(fā)出的窄光束經(jīng)過透鏡后不再

12、交于一點，這種現(xiàn)象稱為像散。子午平面是指包含軸外物點與主軸的平面?；∈钙矫媸侵赴鞴饩€和子午平面垂直的平面。對于物平面上各點，若其對應(yīng)子午像面、弧矢像面和最小彌散圓像面是曲面，則稱為場曲?；?當(dāng)物體發(fā)出的光線與主軸有較大的傾角時，即使是窄光束，所成的像與原物體也不相似，這種現(xiàn)象稱為畸變。 若橫向放大率隨物點離光軸的距離增加而增大，則成一枕頭形的像，這種畸變稱為枕形畸變或正畸變。若橫向放大率隨物點離光軸的距離增加而減小，則成一啤酒桶形的像，這種畸變稱為桶形畸變或負(fù)畸變。 像形畸變僅由主光線的光路決定，它只引起像的變形，而對像的清晰度并無影響。方格圖形枕形畸變桶形畸變色像差位置色差是描述軸上物點發(fā)出的各色光的成像位置差異的色差，通常用紅光焦點到藍(lán)光焦