光學儀器基本原理

關于光學儀器基本原理（1）保證近軸條件，改善成像質量（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．（1）孔徑光闌：諸擋光孔中,最有效的控制成像光束光能量者，稱為孔徑光闌．簡稱孔闌．1)光闌的作用：2)光闌的種類：第2頁,共35頁，2024年2月25日，星期天ABA’B’孔徑光闌底片第3頁,共35頁，2024年2月25日，星期天瞳孔（2）視場光闌：諸擋光孔中,最有效的控制成像物空間范圍者，稱為視場光闌.簡稱場闌．人眼瞳孔：孔徑光闌，窗窗：視場光闌．物點第4頁,共35頁，2024年2月25日，星期天ABA’B’孔徑光闌視場光闌底片第5頁,共35頁，2024年2月25日，星期天2光瞳（pupil）

孔徑光闌在物空間中的等效孔徑孔徑光闌在像空間中的等效孔徑入射光瞳(入瞳)：限制入射光束的有效孔徑,

是孔徑光闌對前方光學系統(tǒng)所成的像出射光瞳(出瞳)：限制出射光束的有效孔徑,

孔徑光闌對后方光學系統(tǒng)所成的像第6頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

孔徑光闌與光軸上物點位置有關，欲確定孔闌，必須首先明確是對光軸上哪個物點．

將系統(tǒng)所有的通光孔成像于光學系統(tǒng)的物空間，其中對軸上物點張角最小者，稱為入瞳，入瞳對應的物叫做孔闌．

孔闌對后光學系統(tǒng)的像，為出射光瞳，簡稱出瞳．

怎樣確定孔闌？第7頁,共35頁，2024年2月25日，星期天在這個系統(tǒng)中，孔徑光闌同時也是出瞳孔徑光闌入瞳--孔徑光闌對前方系統(tǒng)成的像入射孔徑角出射孔徑角uu’第8頁,共35頁，2024年2月25日，星期天在這個系統(tǒng)中，孔徑光闌同時也是入瞳孔徑光闌出瞳--孔徑光闌對后方系統(tǒng)成的像uu’入射孔徑角出射孔徑角第9頁,共35頁，2024年2月25日，星期天uu’孔徑光闌出瞳入瞳？？第10頁,共35頁，2024年2月25日，星期天某種相機鏡頭的孔徑光闌、光瞳第11頁,共35頁，2024年2月25日，星期天透鏡的像差(LensAberrations)1像差的基本概念如果成像系統(tǒng)：

1）不能將一個物點唯一地變換成一個像點；像差單色像差(monochromaticaberration)色差(chromaticaberration)或者2）物像平面上各點的線放大率不同第12頁,共35頁，2024年2月25日，星期天-uu’PP’近軸條件下：

單色像差的來源球面系統(tǒng)在近軸條件下可以理想成像物像一一對應第13頁,共35頁，2024年2月25日，星期天非近軸情況下，三次冪以上項不能忽略-uu’PP’出現(xiàn)三級以上像差球面系統(tǒng)不能理想成像第14頁,共35頁，2024年2月25日，星期天三級像差(或初級像差)----5種：1)球差(sphericalaberration)2)慧差(coma)3)像散(astigmatism)和場曲(curvatureoffield)4)畸變(distortion)第15頁,共35頁，2024年2月25日，星期天2球差(Sphericalaberration)軸上物點發(fā)出的大孔徑光線不聚焦于一點PP第16頁,共35頁，2024年2月25日，星期天近軸光線非近軸光線非近軸光線非近軸光線非近軸光線近軸光線F’S’f’s’球差的定量：dL=f’-s’

F’S’s’f’s’dL>0---正球差dL<0---負球差第17頁,共35頁，2024年2月25日，星期天圖示：不同大小球差的照片球差的校正：

變折射率透鏡中間折射率大

加光闌；

復合透鏡，如正負透鏡組合、球面曲率及折射率的配合等；非球面透鏡；第18頁,共35頁，2024年2月25日，星期天3慧差(Coma)

慧差的產(chǎn)生靠近光軸的物點發(fā)出的大孔徑光線不聚焦于一點PXY慧尾形的彌散像第19頁,共35頁，2024年2月25日，星期天dH>0---正慧差dH<0---負慧差慧差的定量：第20頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

不同大小慧差的照片慧差的校正：

復合透鏡；

加光闌；

非球面透鏡；第21頁,共35頁，2024年2月25日，星期天4像散(Astigmatism)和場曲（Curvatureoffield）最小彌散圓主光線子午焦線弧矢焦線軸外物點發(fā)出的同心光束，水平方向和豎直方向的光線的聚焦點在不同平面上

像散的產(chǎn)生像散現(xiàn)象第22頁,共35頁，2024年2月25日，星期天lslt最小彌散圓主光線子午焦線弧矢焦線子午面：主光線和光軸的平面弧矢面：包含光軸并垂直于子午面的平面慧差的定量：dL>0--正像散差dL<0--負像散差第23頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

場曲的產(chǎn)生物平面對應的子午面、弧矢面、最小彌散圓平面為曲面場曲與像散結伴而生場曲第24頁,共35頁，2024年2月25日，星期天像散和場曲的校正：

復合透鏡

加光闌非球面透鏡；第25頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

物平面 枕形畸變 桶形畸變5畸變(Distortion)第26頁,共35頁，2024年2月25日，星期天類似于正球差，入射角度大的出射光線比理想成像光線向光軸偏折得更厲害離光軸遠的物點放大率變小光闌在透鏡前面桶形畸變光闌在透鏡后面，情況相反枕形畸變第27頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

光闌消除畸變第28頁,共35頁，2024年2月25日，星期天6色差(Chromaticaberration)

色差的產(chǎn)生P

色差的消除P’Pn1n2第29頁,共35頁，2024年2月25日，星期天助視儀器的分辨本領(ResolvingPower)

任何成像光學系統(tǒng)中如透鏡都有有限的孔徑，這些光闌對成像光波的限制而產(chǎn)生的衍射效應，使得對應于物點的像點不再是幾何光學意義上的一個點，而是一個衍射斑，從而使像模糊。

因此任何成像光學系統(tǒng)中，在幾何光學像差因素以外，還要考慮由于衍射效應而引起的對成像分辨本領的限制。衍射像導致的成像分辨率的下降第30頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1望遠鏡的分辨本領

遠處的物體，如遙遠的星體，在望遠鏡的后焦面上成像。由于孔徑光闌的限制，在后焦面上，像點成為Airy斑；

當兩個物點靠近時，形成的兩個Airy斑交疊，可能分辨不開；兩物點間距變小光學儀器分辨率第31頁,共35頁，2024年2月25日，星期天不同物點間距的衍射像強度分辨率第32頁,共35頁，2024年2月25日，星期天Rayleigh判據(jù)：當兩個像靠近到使得一個Airy斑的主極大和第二個Airy斑的極小重合時，剛剛能分辨。進一步靠近，兩個像不能分辯。第33頁,共35