第八、十一節(jié)光學(xué)儀器光度學(xué)

I幾何光學(xué)2010年秋季本科課程《光學(xué)》幾何光學(xué)的基本定律惠更斯原理及費(fèi)馬原理成像、共軸球面旁軸成像及薄透鏡光學(xué)儀器及光度學(xué)簡(jiǎn)介*§8光學(xué)儀器(1-7參考）光闌投影儀器照相機(jī)眼睛放大鏡、目鏡顯微鏡望遠(yuǎn)鏡棱鏡光譜儀什么是光闌？光具組中對(duì)光束起限制作用的帶孔屏障，稱(chēng)為光闌。如透鏡、反射鏡等光學(xué)元件的邊緣、框架或特別設(shè)置的帶圓孔的屏障，（1）保證傍軸條件，改善成像質(zhì)量（像的清晰度），控制景深．（2）控制成像物空間的范圍．（3）控制像面的亮度．光闌的作用：nnM?Quuissippr?QAC?

傍軸條件：h2<<s2,s2

和r2或u2,u2

和2<<1光闌的理論基礎(chǔ)：瞳孔人眼瞳孔：孔徑光闌窗窗：視場(chǎng)光闌物點(diǎn)（1）孔徑光闌：對(duì)軸上點(diǎn)光源發(fā)出光束的入射孔徑限制最多的光闌，稱(chēng)為孔徑光闌。光闌的種類(lèi)：（2）視場(chǎng)光闌：對(duì)成像的物面范圍限制最多的光闌，稱(chēng)為視場(chǎng)光闌?？讖焦怅@入射光瞳

出射光瞳D2QD1??QD2Lu0u0將系統(tǒng)中所有的光闌通過(guò)它左方的光學(xué)系統(tǒng)向物方空間成像，其中對(duì)軸上物點(diǎn)張角最小者，稱(chēng)為入射光瞳。入射光瞳對(duì)應(yīng)的物，就是孔徑光闌?？讖焦怅@通過(guò)右方光學(xué)系統(tǒng)向像方空間成的像，稱(chēng)為出射光瞳。入射光瞳對(duì)軸上物點(diǎn)的張角，稱(chēng)為入射孔徑角；出射光瞳對(duì)軸上像點(diǎn)的張角，稱(chēng)為出射孔徑角。入射光瞳/孔徑光闌出射光瞳入射孔徑角出射孔徑角D2QD1??QD2LP?注意：孔徑光闌與光軸上物點(diǎn)位置有關(guān)，欲確定孔闌，必須首先明確是對(duì)光軸上哪個(gè)物點(diǎn)。物方成像入射光瞳孔徑光闌出射光瞳像方成像自學(xué)：視場(chǎng)光闌入射窗出射窗（軸外共軛點(diǎn)）§8光學(xué)儀器投影儀器照相機(jī)眼睛放大鏡、目鏡顯微鏡望遠(yuǎn)鏡棱鏡光譜儀什么是光闌？光具組中對(duì)光束起限制作用的帶孔屏障，稱(chēng)為光闌。如透鏡、反射鏡等光學(xué)元件的邊緣、框架或特別設(shè)置的帶圓孔的屏障，（1）保證傍軸條件，改善成像質(zhì)量（像的清晰度），控制景深．（2）控制成像物空間的范圍．（3）控制像面的亮度．光闌的作用：1投影儀器2照相機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)鏡頭與底片之間的距離，使不同距離處的物體成像在底片上。可變光闌1）減小光闌直徑，光束變窄，圓斑變小，景深加大！給定焦距f，物距x越小，景深越??！景深：在照相機(jī)鏡頭(或其他成像器)前沿著能夠取得清晰圖像的成像相機(jī)軸線所測(cè)定的物體距離范圍。景深

2）焦距與物距亦有影響3眼睛通過(guò)肌肉壓縮晶狀體，改變晶狀體的曲率（焦距），使不同距離處的物體成像在視網(wǎng)膜上。是物、像方折射率不相等的成像實(shí)例，其物方焦距、像方焦距不等，聚焦無(wú)窮遠(yuǎn)，f=17.1mm,f’=22.8mm。視角: 物體在視網(wǎng)膜上成像的大小，正比于它對(duì)眼睛所 張開(kāi)的角度。明視距離：物體越近，視角越大，成像也就越大。但只 有在上眼睛才能比較舒適地工作。規(guī)定s0=25cm遠(yuǎn)點(diǎn)：眼睛肌肉完全松弛時(shí)所能看清楚的點(diǎn)；近點(diǎn)：眼睛最緊張時(shí)所能看清楚的點(diǎn)。近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)太近；遠(yuǎn)視眼（花眼）：近點(diǎn)太遠(yuǎn)。4放大鏡用肉眼觀察，物體的最大視角為:經(jīng)放大后的視角為:放大鏡的作用是放大視角，定義視角放大率:(so=25cm)物：焦點(diǎn)附近像：無(wú)窮遠(yuǎn)和明視距離之間5顯微鏡規(guī)定：由光軸轉(zhuǎn)到光線的方向?yàn)轫槙r(shí)針是視角w為正，逆時(shí)針時(shí)視角w為負(fù)。（與以前角度符號(hào)規(guī)定相反）其中，ME目鏡的視角放大率，VO為物鏡的橫向放大率。基本原理圖光學(xué)筒長(zhǎng)6望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡的視角放大率M

定義為最后的虛像對(duì)目鏡所張視角w’與物體在實(shí)際位置所張視角w之比。討論：1.負(fù)號(hào)表示像倒立2．fo越大，倍數(shù)越大7棱鏡光譜儀光譜望遠(yuǎn)物鏡分光鏡：望遠(yuǎn)物鏡中裝有目鏡，供眼睛之間觀察光譜；攝譜儀：望遠(yuǎn)物鏡的焦平面上放置感光膠片，拍攝光譜；單色儀：望遠(yuǎn)物鏡的焦平面上放置狹縫，分離特定波長(zhǎng)。光譜儀器是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要工具！平行光管作業(yè)：P.97~98習(xí)題1,2,3，4，5,8I幾何光學(xué)2010年秋季本科課程《光學(xué)》幾何光學(xué)的基本定律惠更斯原理及費(fèi)馬原理成像、共軸球面旁軸成像及薄透鏡光學(xué)儀器及光度學(xué)簡(jiǎn)介*§11光度學(xué)簡(jiǎn)介*光度學(xué)：研究光的強(qiáng)弱的學(xué)科

（可見(jiàn)光為整個(gè)電磁輻射波譜中一個(gè)很窄的波段）輻射度學(xué):研究各種電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科幾個(gè)基本概念如下：輻射能通量（輻射功率）

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定接收截面的輻射能，它的單位分別是瓦（W）或千瓦（KW）。 對(duì)于非單色輻射，輻射能通量的概念顯得太籠統(tǒng)，人們往往更關(guān)心能量的頻譜分布?？傒椛淠芡繛檩椛淠芡康淖V密度：描述輻射能在頻譜中分布光譜響應(yīng)

研究光或電磁輻射的強(qiáng)度使用的檢測(cè)器件對(duì)不同波長(zhǎng)的光或電磁輻射有不同的靈敏度,用其光譜響應(yīng)來(lái)表征。 光譜響應(yīng):表示檢測(cè)器件的輸出訊號(hào)（通常是電壓或電流）的大小與某個(gè)波長(zhǎng)的入射光功率之比。不同器件的光譜響應(yīng)差別很大

視見(jiàn)函數(shù)光度學(xué)中，為了表示人眼對(duì)于不同波長(zhǎng)輻射的敏感度的差別，定義任一波長(zhǎng)的光和波長(zhǎng)為555nm光產(chǎn)生同樣亮暗感覺(jué)所需的輻射能通量之比為視見(jiàn)函數(shù)。夜晚白天明亮和昏暗環(huán)境中的視見(jiàn)函數(shù)不同；適光性視見(jiàn)函數(shù)（實(shí)線)適暗性視見(jiàn)函數(shù)（虛線)

光通量

定義：光源在單位時(shí)間內(nèi),向周?chē)臻g輻射出的使人眼產(chǎn)生光感的能量稱(chēng)為光通量。

表示方法：將輻射通量以視見(jiàn)函數(shù)為權(quán)重因子折合成對(duì)于眼睛的有效數(shù)量：:555nm光功當(dāng)量多色光的總光通量：Km=683lm/W光通量單位：流明（lm）定義：點(diǎn)光源沿某方向上的單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量單位：1坎德拉(cd)=1流明/1球面度發(fā)光強(qiáng)度亮度

定義：面光源沿某方向上的單位投影面積的發(fā)光強(qiáng)度，即在某方向上從單位投影面積在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：1熙提（sd）=1流明/厘米2球面度(lm/cm2sr)電燈發(fā)光強(qiáng)度分布擴(kuò)展光源的發(fā)光強(qiáng)度與cosθ成正比，從而其亮度與方向無(wú)關(guān)，這類(lèi)發(fā)射體稱(chēng)為余弦發(fā)射體或朗伯發(fā)光體朗伯定律：按照cosθ規(guī)律發(fā)射光通量的規(guī)律余弦發(fā)射體（朗伯體）定向發(fā)射體： 發(fā)射體所發(fā)出的光束集中在一定立體角內(nèi)，即亮度有一定的方向性。激光器發(fā)出的光束通常是截面很小的高度平行光照度定義：照射在單位面積上的光通量。單位：1勒克斯（lux）=1流明/1米2點(diǎn)光源的照度：面光源的照度：作業(yè)：P.132習(xí)題1,2“幾何光學(xué)”復(fù)習(xí)幾何光學(xué)三定律惠更斯原理費(fèi)馬原理成像及共軸球面組傍軸成像薄透鏡成像光學(xué)儀器/光度學(xué)基本概念幾何光學(xué)基本定律:1、光線的概念：數(shù)學(xué)概念，表示光的傳播方向。光線與窄光束的區(qū)別。2、光的直線傳播定律：光在同一種均勻媒質(zhì)中沿直線傳播。3、光的反射定律：入射線/反射線、入射角/反射角4、光的折射定律： 相對(duì)和絕對(duì)折射率、全反射的條件及應(yīng)用、(棱鏡、光纖)5、色散的概念和應(yīng)用：棱鏡、棱鏡最小偏向角及其應(yīng)用6、光的可逆性原理:當(dāng)光線的方向返轉(zhuǎn)時(shí)，它將逆著同一路徑傳播。注： 光的獨(dú)立傳播定律——兩束光在傳播途中相遇時(shí)互不干擾，仍按各自的途徑繼續(xù)傳播，當(dāng)兩束光會(huì)聚于同一點(diǎn)時(shí)，在該點(diǎn)上的光能量是簡(jiǎn)單的相加。

基于光線傳播的基本定律，可以計(jì)出光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑，計(jì)算過(guò)程稱(chēng)為光線追跡，是設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)必須進(jìn)行的工作?！皫缀喂鈱W(xué)”要點(diǎn)惠更斯原理:1、波面：位相相同的點(diǎn)的軌跡稱(chēng)波面。 點(diǎn)光源發(fā)出的光在各向同性介質(zhì)中傳播的波面球面，波的傳播方向與波面垂直;平面波的波面是平面（無(wú)窮遠(yuǎn)處的球面波）2、惠更斯原理的出發(fā)點(diǎn)及內(nèi)容： 從波動(dòng)的角度對(duì)幾何光學(xué)物理實(shí)質(zhì)的解釋、次波及包絡(luò)面等的概念3、惠更斯原理的應(yīng)用： 從次波的角度對(duì)幾何光學(xué)基本定律（直線傳播、反射、折射定律）的解釋費(fèi)馬原理：1、“光程”的概念：媒質(zhì)&真空 “實(shí)際光程”：光在各種媒質(zhì)中，經(jīng)過(guò)光學(xué)器件或系統(tǒng)所走的路程。2、費(fèi)馬原理的出發(fā)點(diǎn)和內(nèi)容：理解：光在指定的兩點(diǎn)間傳播，實(shí)際光程總是一個(gè)極值。

3、費(fèi)馬原理的應(yīng)用：光程為極值的含義 從光程的角度對(duì)幾何光學(xué)基本定律的解釋4、反射光束、折射光束的等光程性：如何符合費(fèi)馬原理的極值要求“幾何光學(xué)”要點(diǎn)成像、共軸球面組傍軸成像、薄透鏡成像1、成像的有關(guān)概念：

同心光束、光具組、共軸光具組、物點(diǎn)、像點(diǎn)、實(shí)像、虛像、實(shí)物、虛物、物空間、像空間、（物/像）焦點(diǎn)、（物/像）焦距、（物/像）焦面、共軛點(diǎn)、理想成像、近似成像等2、物像之間的等光程性——費(fèi)馬原理的重要推論3、單球面成像公式：推導(dǎo)依據(jù)——基本定律（尤其是反射、折射）及費(fèi)馬原理

傍軸條件：?jiǎn)握凵淝蛎姘S條件下軸上點(diǎn)物像距公式:反射球面傍軸條件下軸上點(diǎn)物像距公式:傍軸物點(diǎn)成像：橫向放大率(折射球面)反射球面：“幾何光學(xué)”要點(diǎn)薄透鏡成像的高斯公式：薄透鏡成像的牛頓公式：密接薄透鏡組的物象公式：光焦度的定義：眼鏡度數(shù)=100x屈光度4、薄透鏡物像距公式:“幾何光學(xué)”要點(diǎn)(I)物點(diǎn)Q在頂點(diǎn)A的左方（實(shí)物），s>0

Q在頂點(diǎn)A的右方（虛物），s<0(II)像點(diǎn)Q’在頂點(diǎn)A的右方（實(shí)像），s’>0

Q’在頂點(diǎn)A的左方（虛像），s’<0(III)球心C在頂點(diǎn)A的右方，半徑r>0

球心C在頂點(diǎn)A的左方，半徑r<0(IV)點(diǎn)Q’在頂點(diǎn)A的左方（實(shí)像），s’>0

點(diǎn)Q’在頂點(diǎn)A的右方（虛像），s’<0;(V)從光軸轉(zhuǎn)到光線的方向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)，角u>0;

順時(shí)針時(shí)，角u’<0。

(VI)傍軸成像，點(diǎn)在光軸上方，y（y’）>0;在光軸下方，y（y’）<0(VII）物點(diǎn)Q在焦點(diǎn)F的左方，x>0;Q在F的右方，x<0; 像點(diǎn)Q’在F’的右方，x’>0;Q’在F’的左方，x’<0。注：光路圖中，所有數(shù)值都以正值顯示。成像公式中有關(guān)符號(hào)的規(guī)定：“幾何光學(xué)”要點(diǎn)成像公式中有關(guān)符號(hào)的規(guī)定：(續(xù)）QA1Q’Pnn’s1u-u'P’P’’P’’’Q’’’Q’’-u'u’’u’’-u’’’A2A3n’’n’’’s1’s2s2’s3s3’S1S2S3y-y’y’’-y’’’F’FQOQ’ss’fxx’f’凸透鏡FF’QOQ’s-s’x-fx’-f’凹透鏡光在多個(gè)球面上的折射“幾何光學(xué)”要點(diǎn)證:Q點(diǎn)成像于Q’點(diǎn)，對(duì)于任一反射點(diǎn)A，Q、Q’間的光程為：根據(jù)費(fèi)馬原理，B在傍軸條件下，，，在QAB和QAB中，在AOB中，-rChQQ’mpass’AOBP57習(xí)題10：根據(jù)費(fèi)馬原理推導(dǎo)傍軸條件下球面反射成像公式(5-19)同樣，可推導(dǎo)P57習(xí)題11：根據(jù)費(fèi)馬原理推導(dǎo)傍軸條件下球面折射射成像公式QAHCQ’MpP’nn’ss’uu'ii’fra注意：折射