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文檔簡介
幾何光學(xué)成像2023/4/31第1頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四§
1.成像1.1同心光束實像和虛像(1)同心光束:各光線本身或其延長線交于同一點(diǎn)的光束。在各向同性介質(zhì)中它對應(yīng)于球面波。(2)光具組:由若干反射面或折射面組成的光學(xué)系統(tǒng)。(3)物點(diǎn),像點(diǎn):一個以Q點(diǎn)為中心的同心光束經(jīng)光具組的反射或折射后轉(zhuǎn)化為另一以Q’點(diǎn)為中心的同心光束,光具組使Q成像于Q’。Q稱為物點(diǎn),Q’稱為像點(diǎn)。(4)若出射的同心光束是會聚的,稱像點(diǎn)Q’為實像;(5)若出射的同心光束是發(fā)散的,稱像點(diǎn)Q’為虛像。2023/4/32第2頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四實物成實像實物成虛像虛物成實像虛物成虛像光具組QQ’光具組QQ’光具組QQ’光具組QQ’2023/4/33第3頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四1.2物像之間的共軛性和等光程性物點(diǎn)Q和像點(diǎn)Q’之間各光線的光程都相等。QQ’2.由費(fèi)馬原理可導(dǎo)出一個重要結(jié)論:物象之間的等光程性1.物像共軛性2023/4/34第4頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四1.3等光程面(1)反射等光程面給定兩點(diǎn)Q和Q‘,若有這樣的一個曲面,凡是從Q出發(fā)經(jīng)它反射或折射后達(dá)到Q‘的光線都是等光程的曲面。平面鏡對任何物點(diǎn)都是等光程面2023/4/35第5頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四(2)其他的反射等光程面都是旋轉(zhuǎn)二次曲面旋轉(zhuǎn)橢球面:兩焦點(diǎn)共軛,皆實或皆虛??捎糜诰酃?,極特殊情況用于成像。旋轉(zhuǎn)雙曲面:兩焦點(diǎn)共軛,一實一虛。旋轉(zhuǎn)拋物面:焦點(diǎn)和軸上無限遠(yuǎn)點(diǎn)共軛,可實可虛。廣泛使用(發(fā)射或接收)。2023/4/36第6頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四nn(n
<n)(3)折射等光程面和齊明點(diǎn)笛卡爾卵形面:四次曲面,給定后只有一對共軛點(diǎn)。折射球面,有一對共軛點(diǎn),稱為齊明點(diǎn)(不暈點(diǎn))。C..Q.Q.Mr實際使用的折射面幾乎全是球面
(加工,照顧多點(diǎn)
)近來個別照相機(jī)用了非球面透鏡2023/4/37第7頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四§2共軸球面組傍軸成像共軸球面組:由球心在同一直線上的一系列折射或反射球面組成的光具組叫做共軸球面光具組。光軸:各球心的聯(lián)線叫做它的光軸。傍軸光線:參加成像的光線限制在光軸附近。2023/4/38第8頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2.1光在單球面上的折射由
推導(dǎo)成像公式
和
,
,
,
2023/4/39第9頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四利用可得:這就是準(zhǔn)確的物像關(guān)系式或成像公式2023/4/310第10頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四
后
(2)為了保持出射光束的同心性,必須近似處理討論:令
則有可得:已知時,給定同心光束的
隨變化,出射光束喪失了同心性。(1)高斯公式2023/4/311第11頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四1.平行于主軸的入射光線折射后與主軸相交的位置稱為球面界面的像方焦點(diǎn)
,從球面頂點(diǎn)A到像方焦點(diǎn)的距離稱為像方焦距.2.軸上無窮遠(yuǎn)像點(diǎn)的共軛點(diǎn)稱為物方焦點(diǎn),記著F,從球面頂點(diǎn)A到物方焦點(diǎn)的距離稱為像方焦距f.2.2軸上物點(diǎn)成像焦距、物像距公式(2.19)式中令:得物、像方焦距公式:和,物方焦距:物方焦點(diǎn):,有,像方焦距:像方焦點(diǎn):,有2023/4/312第12頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四,物方焦距:物方焦點(diǎn):,有,像方焦距:像方焦點(diǎn):,有(2.20)(2.21)物像距公式的另一個表達(dá)式:(2.22)2023/4/313第13頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2.3單球折射面成像的符號法則
3)若入射光由右向左傳播時,符號法則與上述規(guī)定相反4)各個量在繪圖中均用絕對值標(biāo)示,實物(像)距均大于零,虛物(像)距均小于零。
入射光從左向右傳播時
1)若
和
點(diǎn)在A點(diǎn)的左方,
則
,若
和
點(diǎn)在A點(diǎn)的右方,
則
,則,,、
2)若
和
點(diǎn)在A點(diǎn)的左方,
則,,、
若
和
點(diǎn)在A點(diǎn)的右方,
2023/4/314第14頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2.4單球反射面成像的符號法則
入射光從左向右傳播時
1)若
和點(diǎn)在A點(diǎn)的左方,
則,2)其余規(guī)定與單球折射面成像的符號法則相同
若
和點(diǎn)在A點(diǎn)的右方,
則,2023/4/315第15頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2.5單球反射面成像公式
此時和兩個焦點(diǎn)重合
QPy符號規(guī)則,修改一條:像距s
及焦距f
也以在A之左為正(實為正)。在折射的公式中,將s
和f
分別換成-s
和-f
即得現(xiàn)在的公式。也可僅讓n=-n即可。2023/4/316第16頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2.6傍軸物點(diǎn)成像
物高和像高的符號法則:或若或點(diǎn)在光軸上方,則
或若或點(diǎn)在光軸下方,則
軸外共軛點(diǎn)的旁軸條件:2023/4/317第17頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2.7橫向放大率公式
定義:
橫向放大率公式的推導(dǎo):,,用類似方法可以得到反射球面的橫向放大率公式:2023/4/318第18頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四討論:(3)若,則為實像。
若
,則為放大像。(1)若,則為正立像。(2)若
,則為縮小像。若,則為倒立像。若,則為虛像。
2023/4/319第19頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2.8逐次成像方法
將推廣可得過渡關(guān)系:
2023/4/320第20頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四逐次成像的步驟:1)繪圖,并確定第一次成像的入射光線方向及計算起點(diǎn);2)確定第一次成像的各個已知量的正負(fù)和大小;3)代入相應(yīng)成像公式計算;4)檢查結(jié)果是否合理;5)利用過渡關(guān)系求出下次成像的物距,重復(fù)上述步驟逐次成像。2023/4/321第21頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四注意:(1)光線反向時過渡關(guān)系不變;(2)多次成像的總放大率等于各次放大率的積,證明,以三次成像為例:
2023/4/322第22頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2.9拉格朗日-亥姆霍茲定理1.從光軸到光線的的方向為逆時針時交角u為正,順時針時交角u為負(fù)。有又最后:拉格朗日-亥姆霍茲定理2023/4/323第23頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2.10例題
如圖所示,玻璃球的曲率半徑為,折射率為觀看此玻璃球時發(fā)現(xiàn)球內(nèi)有一個氣泡位于球心C和頂點(diǎn)A,連線的中點(diǎn),求氣泡距頂點(diǎn)A的距離?解:入射光線從左向右傳播,計算起點(diǎn)為頂點(diǎn)A已知:
,,求:
代入公式
得
是實物成虛像,
實物位于頂點(diǎn)A左方
處A
C
Q
Q’
?=s2023/4/324第24頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四§3薄透鏡3.1薄透鏡的焦距公式
1)薄透鏡定義:2)光心:2023/4/325第25頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四
1)焦距公式的推導(dǎo),消去
和可得:
有:
,,2023/4/326第26頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四;
可得:2023/4/327第27頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四若
則:
若則:
磨鏡者的公式2023/4/328第28頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2)正(會聚)透鏡和負(fù)(發(fā)散)透鏡由的正負(fù)確定3)凸透鏡和凹透鏡由中央和邊緣的厚薄比較確定4)注意:(1)應(yīng)根據(jù)入射光的傳播方向正確選擇
的取值(2)
時:凸即為正(會聚),凹即為負(fù)(發(fā)散)時則相反
2023/4/329第29頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四◆判斷透鏡會聚光束還是發(fā)散光束,不能單看透鏡的形狀,還要看透鏡兩側(cè)的介質(zhì)。凸透鏡是會聚透鏡(a),凹透鏡是發(fā)散透鏡(c);凹透鏡是會聚透鏡(d),凸透鏡是發(fā)散透鏡(b)。顯然,當(dāng)透鏡放在空氣中時,薄凸透鏡會聚光束,薄凹透鏡發(fā)散光束。(a)(b)(c)(d)為什么?課下思考(從像方焦距公式考慮)2023/4/330第30頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四3.2薄透鏡成像的高斯公式
由焦距公式可得:
時,2023/4/331第31頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四在之左,物點(diǎn)
在之左,3.3薄透鏡成像的符號法則
1)計算起點(diǎn)是光心O時,符號法則與單球折射面的相同2)計算起點(diǎn)分別是
,且當(dāng)入射光從左向右傳播時,則
;3)其它方面與單球折射面的符號法則相同在之右,則
;像點(diǎn)
則
;在之右,則
;2023/4/332第32頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四3.4薄透鏡成像的牛頓公式
如圖:代入高斯公式可得:,
薄透鏡成像的物像關(guān)系圖
2023/4/333第33頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四3.5薄透鏡成像的橫向放大率公式由:
得:
由于,
即得:若則有:
2023/4/334第34頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四3.6密接薄透鏡組
定義:
求密接薄透鏡組的焦距:
,
,
,
;
,
2023/4/335第35頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四光焦度
定義:
光焦度的單位是屈光度(diopter,記為D)例如:
這個眼鏡的度數(shù)為200度由:得:2023/4/336第36頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四3.7焦面
物方焦面;
像方焦面;主光軸與副光軸焦面性質(zhì):1)從物方焦面上一點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)過薄透鏡后出射光束為平行光束2)入射的平行光束經(jīng)薄透鏡后出射光束會聚在像方焦面上一點(diǎn)2023/4/337第37頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四3.8特殊光線和任意光線作圖法
(1)特殊光線作圖法:利用三條特殊光線作圖凸透鏡凹透鏡2023/4/338第38頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四(2)一般光線作圖法:利用一條特殊光線和焦面性質(zhì),找到任意入射光線的出射共軛線。作圖法求軸上物點(diǎn)的像2023/4/339第39頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四3.9薄透鏡逐次成像的計算法和作圖法1)計算法與單球折射面逐次成像的計算方法相同
2)作圖法的步驟如下:(2)第一次利用特殊光線作圖法做圖(3)以后各次均利用任意光線作圖法做圖(4)按比例測量成像后的各個待求量的值(5)每次均應(yīng)檢驗,再進(jìn)行下一次做圖(1)按比例繪出初始光路圖,在圖中標(biāo)出
、、等已知點(diǎn)和已知光線2023/4/340第40頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四小物放在
20厘米和40厘米,
3.10例題1
如圖,凸透鏡和凹透鏡
的焦距分別為
在右面40厘米處,傍軸
左面30厘米處,求它的像。
2023/4/341第41頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四計算法:第一次成像:
倒立、放大的實像第二次成像:正立、放大的實像
總放大率:
最后成像為倒立、放大的實像,右方40厘米處。
位于2023/4/342第42頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四作圖法:第一次利用特殊光線作圖第二次利用任意光線作圖2023/4/343第43頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四在制作氦氖激光管的過程中,往往采用內(nèi)調(diào)焦平行光管粘貼凹面反射鏡,其光學(xué)系統(tǒng)如圖所示,圖中是目鏡
的焦點(diǎn),是物鏡的焦點(diǎn)。已知目鏡和物鏡的焦距均為2cm,凹面鏡的曲率半徑為8cm。(1)調(diào)節(jié),使與之間的距離為5cm,與之間的距離為10cm,試求位于前1cm的叉絲P經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后所成像的位置。(2)當(dāng)與之間的距離仍為5cm時,若人眼通過目鏡能觀察到一個清晰的叉絲像,與之間的距離應(yīng)為多少?(6cm)(-4cm、2cm可觀察到兩個像)例題11
2023/4/344第44頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四【解】(1)P對L1直接成像;成像于L1前4cm處其次P依次對L2、L3、L2、L1成像,最后成像于L1后2cm處故從目鏡中可看到兩個像(2)要想觀察到一個清晰的像必須滿足:上述P依次對L2、L3、L2、L1所成的像與P對L1直接成的像重合,即P依次對L2、L3、L2所成的像與P重合2023/4/345第45頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四§4理想光具組理論4.1理想成像:擴(kuò)展物的每一點(diǎn)都嚴(yán)格成像(物方的每個同心光束轉(zhuǎn)化為像方的一個同心光束)。滿足這種要求的成像系統(tǒng)稱為理想系統(tǒng)。(共軸球面)理想系統(tǒng)的基本性質(zhì)
(麥克斯韋條件):(1)物方每個點(diǎn)、線、面對應(yīng)像方一個點(diǎn)、線、面(共軛點(diǎn)、線、面)。(2)垂直于光軸的平面的共軛面也是垂直于光軸的平面。(3)
一對共軛平面上的橫向放大率是一常數(shù)(這面上物、像保持幾何相似)。單球面,在傍軸近似下滿足上述條件。共軸球面系統(tǒng)傍軸光線光學(xué)——
高斯光學(xué)理想光具組理論2023/4/346第46頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四主面和主點(diǎn):橫向放大率為+1的一對共軛平面叫做系統(tǒng)的主平面,它們與光軸的交點(diǎn)H、H稱為主點(diǎn)。焦點(diǎn)和焦面:與無窮遠(yuǎn)像平面共軛的物方焦面(軸上交點(diǎn)為物方焦點(diǎn));與無窮遠(yuǎn)物平面共軛的像方焦面(軸上交點(diǎn)為像方焦點(diǎn));4.2共軸理想光具組的基點(diǎn)和基面2023/4/347第47頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四節(jié)點(diǎn)定義:光軸上光線角放大率W=1的兩個共軛點(diǎn)叫做節(jié)點(diǎn),記為N和N。通過兩個節(jié)點(diǎn)且垂直于主光軸的平面分別叫做物方節(jié)平面和像方節(jié)平面。從物方節(jié)點(diǎn)到物方主焦點(diǎn)之距離,稱為物方焦節(jié)距,用SN表示。從像方節(jié)點(diǎn)到像方主焦點(diǎn)之距離,稱為像方焦節(jié)距,用SN’表示。2023/4/348第48頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四為了弄清節(jié)點(diǎn)和焦點(diǎn)、主點(diǎn)的關(guān)系,我們看下圖中的兩條平行入射光線,一條MN指向物方節(jié)點(diǎn)N,另一條通過物方焦點(diǎn)F。2023/4/349第49頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四4.3物像關(guān)系高斯公式牛頓公式橫向放大率光線角放大率亥姆霍茲公式2023/4/350第50頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四例題3.(1)作圖法(2)公式計算由得代入(2.62)式和(2.64)式,得2023/4/351第51頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四§5光學(xué)儀器5.1投影儀器放大率成放大、倒立、實像
特點(diǎn):畫片在物方焦面外附近,物距像距2023/4/352第52頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四
特點(diǎn):物在遠(yuǎn)處,感光底片在像方焦面附近,像距5.2照相機(jī)成縮小、倒立、實像景深2023/4/353第53頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四5.3眼睛作為接收器,感覺約390nm~760nm只能辨別和比較,不能測量光強(qiáng)大小視覺暫留時間:1/16秒2023/4/354第54頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四一、人眼的結(jié)構(gòu)瞳孔→2023/4/355第55頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四簡化眼:從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)來看,人眼是一個有不同介質(zhì)構(gòu)成的共軸光具組,這一光具組能在視網(wǎng)膜上形成清晰的像。由于這一共軸光具組結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,因此在許多情況下,往往將人眼簡化為只有一個折射球面的簡化眼。正常的眼睛在適當(dāng)?shù)恼彰飨?,觀察眼前處的物體是不費(fèi)力的,而且能看清楚物體的細(xì)節(jié),稱這個距離為明視距離。明視距離:2023/4/356第56頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四(1)眼睛的特點(diǎn):像距基本不變,通過焦距變化來實現(xiàn)清楚成像(2)遠(yuǎn)點(diǎn)和近點(diǎn):
眼睛肌肉完全松弛和最緊張時所能清楚看到的點(diǎn)(3)明視距離:(4)視角:物體對眼睛中心的張角稱為視角,記為:
2023/4/357第57頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四(5)最大視角:(6)人眼的最小分辨角:
定義視角的意義:能夠分辨的最近兩點(diǎn)對眼睛所張視角2023/4/358第58頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四5.4放大鏡的視角放大率
放大鏡:放大鏡的特點(diǎn):*放大鏡的焦深:
2023/4/359第59頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四可知:是一個很小的值,2023/4/360第60頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四放大鏡的視角放大率:2023/4/361第61頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四
5.5顯微鏡的視角放大率1)定義:
2)結(jié)構(gòu)和光路:特點(diǎn):為光學(xué)筒長
2023/4/362第62頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四視角放大率:
順時針取正值,逆時針取負(fù)值,均為銳角視角正負(fù)的規(guī)定:
,
顯微鏡的放大本領(lǐng)等于物鏡的橫向放大率和目鏡放大本領(lǐng)的乘積。2023/4/363第63頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四負(fù)號表示像是倒立的例2023/4/364第64頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四5.6望遠(yuǎn)鏡1)定義:2)結(jié)構(gòu)和光路:特點(diǎn):
2023/4/365第65頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四望遠(yuǎn)鏡的視角放大率:負(fù)號表示像是倒立的
開普勒和伽利略望遠(yuǎn)鏡:若,稱為開普勒望遠(yuǎn)鏡;若,稱為伽利略望遠(yuǎn)鏡。
2023/4/366第66頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四開普勒望遠(yuǎn)鏡所成的像為倒像,伽利略望遠(yuǎn)鏡所成的像為正像。開普勒望遠(yuǎn)鏡伽利略望遠(yuǎn)鏡2023/4/367第67頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四反射式大型天文望遠(yuǎn)鏡
主鏡:拋物面鏡。2023/4/368第68頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四望遠(yuǎn)系統(tǒng)的用途:(1)給出足夠的視角放大率M,以便分辨遠(yuǎn)處物體的細(xì)節(jié)。(2)大孔徑。這有兩方面的作用:(a)接收足夠多的光能量,使遙遠(yuǎn)的、較暗的物點(diǎn)也能被看到或拍照;(b)提高受衍射限制的分辨本領(lǐng)。(孔徑與M有效)(3)由轉(zhuǎn)動角度測二方向間的夾角(大地測量儀器,光譜儀器中的觀察裝置等)。(以上的放大鏡、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡都屬于助視儀器。)2023/4/369第69頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四哈勃望遠(yuǎn)鏡其主體為長13米、直徑4.3米的圓筒,望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑2.4米,總重量為12.5噸,研制歷時13年,耗資21億美元,2023/4/370第70頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四5.7棱鏡光譜儀
1)定義:2)結(jié)構(gòu)與光路:3)角色散本領(lǐng):白光
紫
紅
,2023/4/371第71頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四稱為色散率,它由棱鏡材料的性質(zhì)確定。
2023/4/372第72頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四§6光闌1)光闌定義:
光具組內(nèi)光學(xué)元件的邊緣、框架或特別設(shè)置的帶孔屏障稱為光闌。2)光闌的種類:
孔徑光闌和視場光闌,所謂視場就是能成像的物面范圍。2023/4/373第73頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四3)孔徑光闌和視場光闌對軸上物點(diǎn)光束的口徑(立體角或者發(fā)光截面)限制得最多的光闌稱為孔徑光闌(有效光闌)。
對光具組成像的視場限制最多的光闌稱為視場光闌。2023/4/374第74頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四4)注意:
孔徑光闌限制成像物點(diǎn)的光束口徑,視場光闌限制成像的物面范圍,即物點(diǎn)個數(shù)。
2023/4/375第75頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四5)確定孔徑光闌的方法(1)把光具組中所有光闌當(dāng)作物,逐個地相對其前方系統(tǒng)成像。2023/4/376第76頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四由軸上物點(diǎn)向每個像的邊緣引直線,其中與主光軸所夾銳角最小的即為入射孔徑角,
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。2023/4/377第77頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四(3)將孔徑光闌向其后方系統(tǒng)成像,即為出射光瞳。由軸上像點(diǎn)出射光瞳邊緣連直線,與主光軸所夾銳角即為出射孔徑角。2023/4/378第78頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四6)注意:(1)只能向像的邊緣連線來比較誰對光束孔徑限制得最厲害。
(2)孔徑光闌的位置與軸上物點(diǎn)的位置有關(guān)。(3)考察的是對軸上物點(diǎn)通光孔徑的限制程度。(4)物點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處時,往往可以直接比較來確定。(5)確定孔徑光闌有兩種方法:計算法和作圖法。
2023/4/379第79頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四7)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。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。對入射光束的直接控制由入射光瞳來承擔(dān),對出射光束的直接控制由出射光瞳來承擔(dān)。2023/4/380第80頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四8)主光線和漸暈現(xiàn)象:主光線的定義:通過入射光瞳中心、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(diǎn)僅對應(yīng)一條主光線。漸暈現(xiàn)象:像面邊緣逐漸變暗的現(xiàn)象。12341324a
D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L2023/4/381第81頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四9)視場光闌的定義對軸外物點(diǎn)的主光線限制最多的光闌稱為視場光闌。12341324a
D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L2023/4/382第82頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四10)視場光闌的確定方法(1)由入射光瞳中心向由前方系統(tǒng)所成像的邊緣引直線,其中與主光軸夾角最小的銳角稱為入射視場角
,
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。12341324a
D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L2023/4/383第83頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四(2)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中心的連線與主光軸所夾銳角稱為
出射視場角
12341324a
D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L2023/4/384第84頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四11)注意:
在一個完整的光學(xué)系統(tǒng)中(兩個以上光學(xué)器件組成的光學(xué)系統(tǒng)),
孔徑光闌和視場光闌不能由同一個器件兼任。2023/4/385第85頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四12)視場光闌,入射窗和出射窗之間的關(guān)系視場光闌,入射窗和出射窗三者之間的關(guān)系是物像共軛關(guān)系。
12341324a
D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L2023/4/386第86頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四視場光闌對物面范圍和像面范圍大小都能限制,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擔(dān),對像面范圍的直接限制由出射窗來承擔(dān)。12341324a
D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L2023/4/387第87頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四例題:孔徑都等于4cm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5cm;另一個是發(fā)散的,其焦距為10cm。兩個透鏡中心的距離為4cm。對于會聚透鏡前面6cm處的物點(diǎn),試問:
(1)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?2023/4/388第88頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四(1)將發(fā)散透鏡作為物對凸透鏡成像:代入高斯公式像高發(fā)散透鏡經(jīng)會聚透鏡所成的像對物點(diǎn)所張的孔徑角為2023/4/389第89頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四(2)L1為入射光瞳,其直徑為4cm。會聚透鏡對物點(diǎn)所張的孔徑角為所以會聚透鏡為同軸光具組的有效光闌L1經(jīng)L2成的像為出射光瞳,其位置和大小分別為:2023/4/390第90頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四§7光度學(xué)基本概念1)光度學(xué)和輻射度學(xué)光度學(xué):研究光的強(qiáng)弱的學(xué)科輻射度學(xué):研究各種電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科2023/4/391第91頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四2)輻射能通量(輻射功率)和輻射能通量的譜密度單位時間內(nèi)光源發(fā)出或通過一定接收截面的輻射能
單位:瓦
輻射能通量的譜密度:
輻射能通量的定義:2023/4/392第92頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四3)視見函數(shù)定義:
V=1實驗表明:
要引起與1mw的5550A的綠光相同亮暗感覺的4000A紫光需要2.5w.時,
,
在4000A---7600A范圍以外,V實際上已趨于02023/4/393第93頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四4)適光性和適暗性視見函數(shù)由于眼睛里的圓錐和圓柱視神經(jīng)細(xì)胞在分別起作用,形成了適光性和適暗性視見函數(shù)。在昏暗的環(huán)境中,視見函數(shù)的極大值朝短波方向移動。所以在月光朦朧的夜晚,總感到周圍的一切籠罩了一層藍(lán)綠的色彩。2023/4/394第94頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四5)光通量定義:
光源發(fā)出的輻射能通量通過視見函數(shù)的權(quán)重因子折合成對人眼起作用的有效視覺強(qiáng)度稱為光通量。單位:流明,
記作:
有:
或者:
最大光功當(dāng)量,
2023/4/395第95頁,共109頁,2023年,2月20日,星期四6)發(fā)光強(qiáng)度和輻射強(qiáng)度(1)點(diǎn)光源和面光源:(2)發(fā)光強(qiáng)度I:單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量,
單位:坎德拉,
其中
,
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