工程光學(xué)專題4、5、6

共四十六頁第四章光束(guāngshù)選擇孔徑光闌、視場(chǎng)光闌、漸暈光闌、消雜光光(ɡuānɡɡuānɡ)闌光闌及其作用、分類孔徑光闌、入射光瞳、出射光瞳，確定方法視場(chǎng)光闌、入射窗、出射窗，確定方法共軛關(guān)系、主光線、漸暈現(xiàn)象（以相機(jī)為例）共四十六頁光闌：限制成像光束的光孔，或者是限制成像范圍(fànwéi)的光孔或金屬框，可分為孔徑光闌、視場(chǎng)光闌、漸暈光闌和消雜光光闌。光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用：決定能通過光學(xué)系統(tǒng)的光束；決定系統(tǒng)的視場(chǎng)；限制光束中偏離理想位置最大的一些光線，以改善(gǎishàn)成像質(zhì)量；攔截系統(tǒng)中有害雜散光；L：照相鏡頭A：可變光闌B：感光底片共四十六頁★孔徑光闌的定義：1）限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑(kǒngjìng)角的大?。▽挾龋?）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。1、孔徑光闌共四十六頁孔徑光闌孔徑光闌物像(wùxiànɡ)關(guān)系后面光學(xué)系統(tǒng)入瞳出瞳孔徑光闌前面光學(xué)系統(tǒng)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)共四十六頁★孔徑光闌的確定(quèdìng)方法a.將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（透鏡邊框和光圈等），對(duì)其前面的光學(xué)系統(tǒng)（物空間(kōngjiān)）成像，求像之大小和位置；b.由軸上物點(diǎn)向各像邊緣、第一個(gè)透鏡邊緣分別作連線，求張角最小值即為入瞳，相應(yīng)的共軛物為孔徑光闌；c.孔徑光闌對(duì)后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。若物體位于無限遠(yuǎn)，此時(shí)僅比較各個(gè)像本身的大小，其口徑最小者即為入射光瞳。

共四十六頁★主光線的入射、出射部分各自通過(tōngguò)入瞳及出瞳的中心。主光線(guāngxiàn)出瞳入瞳孔徑光闌★定義：離軸物點(diǎn)發(fā)出的、通過孔徑光闌中心的光線?！镏鞴饩€是通過孔徑光闌、參與成像的光束的中心光線。共四十六頁2、視場(chǎng)光闌：限定(xiàndìng)光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌?！锓揭晥?chǎng)（能夠(nénggòu)清晰成像的物面范圍）——像方視場(chǎng)★入射視場(chǎng)角：主光線入射部分與光軸的夾角ω0★出射視場(chǎng)角：主光線出射部分與光軸的夾角ω0′以主光線剛好被視場(chǎng)光闌邊緣遮斷的軸外物點(diǎn)為分界：共四十六頁★入射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)其前面(qiánmian)光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）★出射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）視場(chǎng)光闌、入射窗與出射窗三者互為物象(wùxiàng)關(guān)系。★

視場(chǎng)光闌的確定方法(2)計(jì)算這些像的邊緣對(duì)入瞳中心的張角大小。張角最小者即為入射窗，入射窗對(duì)應(yīng)的光學(xué)零件視場(chǎng)光闌.(1)把孔徑光闌以外的所有光孔經(jīng)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到物空間，確定入瞳中心位置。

注意：視場(chǎng)光闌是對(duì)一定位置的孔徑光闌而言的。共四十六頁★漸暈現(xiàn)象(xiànxiàng)：像平面的邊緣比中間暗（離軸物點(diǎn)）?！餄u暈系數(shù):

（漸暈光闌）——透鏡邊框起到“攔光”的作用。3、漸暈光闌共四十六頁光學(xué)系統(tǒng)的景深(jǐngshēn)

景深與哪些因素有關(guān)？對(duì)成像的影響是什么？物距，孔徑(kǒngjìng)有關(guān)（相對(duì)孔徑(kǒngjìng)，焦距。。。）點(diǎn)物成像為圓斑，像變模糊共四十六頁

★成像空間(kōngjiān)的景深：在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度。

遠(yuǎn)景平面近景平面入瞳中心(zhōngxīn)：物空間參數(shù)的起算原點(diǎn)出瞳中心：像空間參數(shù)的起算原點(diǎn)共四十六頁★總成像深度(shēndù)——景深★物方孔徑角U：軸上物點(diǎn)-入瞳邊緣連線(liánxiàn)與光軸的夾角。眼睛2a共四十六頁孔徑光闌——光圈(guāngquān)相對(duì)孔徑D/f′(入瞳直徑(zhíjìng)與焦距之比)共四十六頁AppliedOptics第六章像差七種像差的形成(xíngchéng)原因、表現(xiàn)形式，對(duì)成像的影響。

如何(rúhé)減小像差（球差、慧差等）系統(tǒng)分辨率共四十六頁基本概念實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)只在近軸區(qū)域成完善像。像差是由實(shí)際光路和理想光路之間差別(chābié)而引起的成像缺陷。單色像差：光學(xué)系統(tǒng)對(duì)單色光成像所產(chǎn)生的像差，包括：球差、慧差、像散、場(chǎng)曲、畸變等五種。色差：由不同折射率引起的不同波長(zhǎng)光線的成像位置和大小也不同。包括：位置色差和倍率色差。實(shí)際波面與理想球面波的偏差稱為波像差。共四十六頁對(duì)于寬光束，軸外主光線和共軸系統(tǒng)的光軸不重合，使出射光束失去(shīqù)對(duì)稱，產(chǎn)生彗差、像散和像面彎曲；共四十六頁1、球差軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)折射面折射后，不同孔經(jīng)角U的光線交光軸于不同點(diǎn)上，相對(duì)(xiāngduì)于理想像點(diǎn)的位置有不同的偏離，這就是球面像差，簡(jiǎn)稱球差。（它由孔徑引起）與h1或U1有關(guān)(yǒuguān)對(duì)稱性與視場(chǎng)角無關(guān)單正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差，單負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差共四十六頁對(duì)于(duìyú)單個(gè)折射球面，在以下三種情況時(shí)球差為零：

（1）L＝0，此時(shí)L'必為零，即物點(diǎn)、像點(diǎn)均與球面(qiúmiàn)頂點(diǎn)重合。

（2）光線和球面法線重合，物點(diǎn)和像點(diǎn)均與球面中心相重合。（3）。不暈點(diǎn)（齊明點(diǎn)）共四十六頁2、彗差既與孔徑(kǒngjìng)有關(guān)，也與視場(chǎng)有關(guān)。軸外點(diǎn)寬光束成像后失去(shīqù)對(duì)稱性的情況。正弦差適用于小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，而慧差可用于任何視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)。子午彗差：

上下光線的交點(diǎn)偏離主光線弧矢彗差：

前后光線的交點(diǎn)偏離主光線共四十六頁3、場(chǎng)曲某一視場(chǎng)的子午(zǐwǔ)像點(diǎn)、弧矢像點(diǎn)相對(duì)于高斯像面的距離稱為子午像面彎曲和弧矢像面彎曲，簡(jiǎn)稱子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲。只與視場(chǎng)有關(guān)，與孔徑(kǒngjìng)無關(guān)。視場(chǎng)為零，則場(chǎng)曲為零。共四十六頁4、像散軸外點(diǎn)發(fā)出的細(xì)（寬）光束(guāngshù)的子午像點(diǎn)與弧矢像點(diǎn)不重合，兩者分開的軸向距離稱為像散。子午像面和弧矢像面像散均為對(duì)稱于光軸的旋轉(zhuǎn)曲面(qūmiàn)。有像散必有場(chǎng)曲，但像散為零時(shí)，場(chǎng)曲不一定為零。共四十六頁5、畸變(jībiàn)

當(dāng)孔闌位置移動(dòng)，主光線與高斯像面交點(diǎn)高度yp’變化，引起(yǐnqǐ)像的變形。（主光線的像差）畸變是垂軸像差，只改變軸外點(diǎn)在理想像面上的位置，使像失真，但不影響像的清晰度?；兪且晥?chǎng)的函數(shù)。共四十六頁對(duì)白光成像的光學(xué)系統(tǒng)，由于材料(cáiliào)對(duì)不同波長(zhǎng)的色光折射率不同，使各色光線具有不同的成像位置和倍率。位置(wèizhi)色差按色光波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)，其像點(diǎn)離透鏡由近到遠(yuǎn)地排列在光軸上。這種現(xiàn)象就是位置色差，也稱軸向色差。

色差共四十六頁倍率(bèilǜ)色差軸外點(diǎn)物點(diǎn)，兩種色光的垂軸放大率不一定相等引起同一物體成像大小不同，稱為(chēnɡwéi)倍率色差(或放大率色差．或垂軸色差)光學(xué)系統(tǒng)的倍率色差是以兩種色光的主光線在消單色光像差的高斯像面上交點(diǎn)高度之差來量度。共四十六頁波像差實(shí)際波面與理想波面間存在偏差，當(dāng)實(shí)際波面與理想波面在出瞳處相切時(shí)，兩波面間的光程(ɡuānɡchénɡ)差就是波像差。波像差為孔徑(kǒngjìng)的函數(shù)。

幾何像差大時(shí)，波像差也大。

對(duì)軸上像點(diǎn)，單色波像差由

球差決定。

波像差小，像質(zhì)好。共四十六頁第五章光度學(xué)和色度學(xué)一.輻射量輻射能:

反射、傳輸、接收的能量，單位焦耳。2.輻通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的輻射能。

3.輻出度：輻射源單位發(fā)射面積(miànjī)發(fā)出的輻通量。共四十六頁4.輻照度：輻射照射面單位受照面積上接收的輻通量。

5.輻強(qiáng)度：點(diǎn)輻射源在單位立體角發(fā)出的輻通量。

6.輻亮度：發(fā)光源的元面積在方向的輻量度為該輻射面在垂直于該方向的平面上的單位投影面積在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻通量。（表征有限尺寸(chǐcun)輻射源輻射通量的空間分布）單位(dānwèi)：W/(sr·m2)

單位：W/sr單位：W/m2

共四十六頁二.光學(xué)(guāngxué)量與輻射量相對(duì)應(yīng)，有以下的光學(xué)量（下標(biāo)V）光通量:輻通量的光量度，標(biāo)度可見光對(duì)人眼視覺刺激程度的量。（即若干輻射能相當(dāng)于多少光。）流明lm

（輻通量）光出射度:

lm/m2（輻出度）光照度:單位面積上得到的光通量，lx(lm/m2)

（輻照度）發(fā)光強(qiáng)度:單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，cd（輻強(qiáng)度）光亮度:描述有限大小光源的發(fā)光特性(tèxìng)cd/m2

（輻亮度）共四十六頁發(fā)光強(qiáng)度光亮度共四十六頁光學(xué)(guāngxué)量和輻射量間的關(guān)系在很小的波長(zhǎng)(bōcháng)范圍內(nèi)：光通量就是將輻通量以視見函數(shù)為權(quán)重因子折合成對(duì)人眼視覺的有效通量。光通量即為輻通量與視見函數(shù)的乘積。共四十六頁余弦(yúxián)輻射體（朗伯輻射體）輻射源各方向上的輻射亮度不變，輻射強(qiáng)度隨觀察方向與面源法線(fǎxiàn)之間的夾角θ的變化遵守余弦規(guī)律，這類輻射源稱為朗伯輻射體。共四十六頁成像系統(tǒng)(xìtǒng)像面的光照度軸上像點(diǎn)的照度與孔徑(kǒngjìng)角正弦的平方成正比，與線放大率的平方成反比。共四十六頁軸外像點(diǎn)的光照度軸外像點(diǎn)的光照度隨視場(chǎng)角的增大(zēnɡdà)而降低。共四十六頁2010中科院考題(kǎotí)概念(gàiniàn)題(15分，每小題3分)解釋光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌和視場(chǎng)光闌解釋輻照度和輻亮度2013中科院考題共四十六頁2014中科大考題(kǎotí)共四十六頁2014中科大考題(kǎotí)共四十六頁2014中科大考題(kǎotí)共四十六頁共四十六頁共四十六頁2010中科院考題(kǎotí)共四十六頁2011中科院考題(kǎo