第2章几何光学4.ppt

6光阑,一、有效光阑入射光瞳与出射光瞳,1、有效(孔径)光阑,有效(孔径)光阑：真正控制主光轴上入射光孔径的约束物，使之满足旁轴光线条件。影响像的景深、亮度、分辨率、像差等。光阑可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏障。,入射孔径角、出射孔径角：,透镜的有效(孔径)光阑和孔径角,含义1：限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。,含义2：孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成像光束的孔径角不变。,孔径光阑,孔径光阑,物像关系,入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）,2.入射光瞳与出射光瞳（在物方和像方空间虚构的光阑）,孔径光阑、入瞳与出瞳,出瞳,入瞳,孔径光阑,1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。,2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。,3）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了入瞳、出瞳；三者互为物像关系。,5光学仪器,1.原理,投影仪的光路图,一、投影仪器,sf；sf；V=s/ss/f,“聚光镜”紧帖画片（画片在聚光镜的像方），经过画片的出射光是会聚光；会聚光经投影镜头均匀放大后，呈现在屏幕上；,2.特点,3.光路,均匀放大,照相系统由三部分组成镜头：将外界景物成像在底片上。光阑：影响底片上照度，从而影响曝光时间选择；影响景深。底片架框：确定景物的成像范围。,照相机和光阑的作用,二、照相机,照相机的光路图,1.原理,sf；sf;V=s/sf/s,相当于单凸透镜成缩小的实像,2.特点,3.光路,2.照相物镜的景深,景深的含义：物镜能够成清晰像的物距范围,影响景深的因素：光阑大小、焦距和物距,景深,P点的像是点，P1和P2点的像在平面上是圆斑。只有圆斑线度小于底片分辨率，像才是清晰的。,同一位置不同景深的效果光阑直径缩小，光束变窄，景深加大,景深大景深小,X（物距）越大，景深越大。拍摄不太近的物体，远的背景很清晰；,景深大,拍摄近物，景深小,拍摄近物时，景深小，远物变得模糊。,A眼球的构造,2.角膜：巩膜中突出的透明部分，R0.8cm,3.网膜：巩膜内层，不透光，暗房，相当于照相机底片,4.虹膜：网膜前部彩帘，调节瞳孔大小,5.瞳孔：虹膜中间，调节进入光通量D1mm8mm很小,1.巩膜：最外层，白色，D2.4cm,眼球横切面,三、眼睛,6.晶状体：瞳孔内液体，n不均匀,7.睫状肌：与虹膜相联，调节水晶体曲率，看清远近物体,8.前房液：水晶体前，角膜后，n=n(水),9.后房液：水晶体后，网膜前,10.视网膜：,从光学角度看，最主要的是：水晶体、瞳孔和视网膜。,人眼瞳孔水晶体视网膜,眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：,照相机光阑镜头底片,照相机中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像,但我们感觉为什么还是正立的？,这是视神经系统内部作用的结果，相当复杂，相当奇妙！,为了方便，人们定义了标准眼模型和简约眼模型,物体在视网膜上形成一个倒立的实像。,但这一倒像经神经系统的作用，给人以正像的视觉。,B简化眼模型,角膜顶O,C人眼的调节功能,78cm,约2m,青中年,老年,幼年,1.眼睛像方焦点与视网膜重合,1425cm明视距离25cm,2.感光范围390nm760nm,远物：远点(睫状肌完全放松)；近物：近点(睫状肌最大收缩),正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远，像方焦点正好和视网膜重合,最常见的有近视眼和远视眼（老花眼）,D非正常眼睛及其矫正,若不符合这一条件就是非正常眼，或称视力不正常,1.近视眼：远点不是无穷远,近视眼睛与眼镜,矫正方法：在近视眼睛前加一个凹透镜,矫正目标：将远点矫到无穷远,眼镜的度数：凹透镜的光焦度,光焦度的单位是屈光度()眼镜光焦度的度数是屈光度100,21,例题一近视眼的远点在眼前50cm处，今欲使其看清无限远的物体，则应配戴多少度的镜？,解：配戴的眼镜必须使无限远的物体应在眼前50cm处成一虚象，如图所示。设眼镜的焦距为f，s=，s=0.5m,代入薄透镜公式，得：,戴200度眼镜,3.散光眼：角膜是椭球形状，而正常眼睛的角膜形状是球型的,4.白内障：晶状体液体浑浊,矫正目标：将近点矫到25cm,2.远视眼：近点是2m左右（非明视距离）,5.当今大多数近视者，乃不良习惯之咎也，非营养、用功之故。,矫正方法：在近视眼睛前加一个凸透镜,矫正比较困难,手术治疗,远视眼睛与眼镜,例题一远视眼的近点在1.2m处，要看清眼前12cm处物体，问应配戴怎样的眼镜？,解：所配戴的眼镜应使眼前12cm处的物体在眼前1.2m处成一虚象，如图11-22。对于透镜：s=0.12m，s=-1.2m，代入薄透镜公式得：,即配戴焦度为7.5D（1500度）的凸透镜。,E眼睛的分辨本领,在明视距离处，黄斑的分辨本领最高，最小分辨角,晚上为1,白天为1,物体在网膜上成像的大小，正比于它对眼镜所张的角度。所以物体越近，它在网膜上的像越大，越容易分辨它的细节。但是太近了，看久眼镜会感到疲倦。只有在明视距离上，才感到舒服。,虹膜起着孔径光阑的作用，自动调节进入人眼的光能。瞳孔直径可自动变化(28mm)。,若外界光很强，瞳孔缩小到2mm时仍然使人无法适应，就容易使视网膜造成伤害。直视太阳或正视激光束能在视网膜上烧成一盲斑，使人在观看任何景象时，总有一块或数块区域是黑斑。,F瞳孔调节（适应特性）,四、放大镜与目镜,最简单的放大镜就是焦距很短的会聚透镜，其作用是放大物体在网膜上所成的像。像的大小与物体对眼睛所张的视角成比例。用肉眼观察物体，当物体由远移近时，所张的视角增大，但是达到明视距离后继续移近，视角虽增大，但看不清楚。所以肉眼观察物体，最大视角不超过：,1、放大镜的放大率,眼睛直接成像的视角为,定义放大镜的放大率:,凸透镜放大,y,y,放大镜,F,f,使用助视仪器的视角为,物体放在凸透镜焦点F以内的小范围内。,目镜：由两个或两个以上透镜组成的复合放大镜,目镜的特点：具有较高的视角放大率和较小的像差；通常不单独使用，而是用来放大其它光具组（如显微镜物镜或望远镜物镜）所成的像；一般由两个不相接触的薄透镜组成。,常用的两种典型目镜：惠更斯目镜,冉斯登目镜。,目镜的定义、特点及分类,显微镜和望远镜中的目镜，原理上就是放大镜。,（1）惠更斯目镜,由于拉姆斯登目镜的F和物体QP就在向场镜L1的表面上，在它表面上附着的灰尘、缺陷或伤痕将与物体一起放大，同时出现在目镜的像平面上，使得像场模糊不清。这个缺点是惠更斯目镜所没有的。为了避免这缺点，拉姆斯登目镜常采用以下变通形式:这时焦点F将在向场镜前面一些，这样物体就可躲开透镜的表面。当然这样做使得条件(2.77)式不严格满足，牺牲了一些消色差的性能。,五、显微镜,1、组成及特点放大镜的放大倍率有限，要得到更大的放大倍率，靠显微镜。,两凸透镜(组)构成，物镜的焦距短,物体置于物镜物方焦点F0外侧，经物镜成像于目镜物方焦点FE内侧，再经目镜成像于明视距离以外。,2、显微镜的角放大率,物体在明视距离处所张的视角为：,最后的像所张的视角为：,显微镜的视角放大率为：，代入得到：,物镜的横向放大率V0为,成倒立像,物镜、目镜的焦距越短，光学筒长越大，放大倍率越高。,六、望远镜,1、组成及特点观察的物体在很远地方，中间像在物镜的像方焦面上。,两透镜(组)构成，物镜的焦距长,像是倒立的，物镜焦距越长，放大倍率越高。,七、棱镜光谱仪,分光镜：眼睛直接观察光谱。,摄谱仪：放置感光底片拍摄光谱或CCD成像。,单色仪：焦平面放一狭缝把某一波长的光分出来。,平行光(准直)管,棱镜光谱仪,2、角色散本领,角色散本领的定义,1、基本概念,角色散本领,偏转角最小时，角色散本领的计算,7像差,一、像差概述,2.像差的分类几何像差,1.理想成像的条件,物方每一点发出的同心光束在像方仍然保持同心光束；,垂直于光轴的平面上各点的像仍然在垂直于光轴的平面上；,在每个像平面内其横向放大率相同，从而保持物、像的几何相似性,(1)单色像差：球面像差；彗形像差；像散；像场弯曲；畸变,理想（光具坐）成像，无单色像差一级近似：,考虑三级近似成像，有5种单色像差：,(2)色像差：非单色物引起的像差，起原因主要是：,二、球面像差,当孔径较大时，由光轴上一物点发出的光束经球面折射后不再交于一点。,凸透镜的像差是负的，凹透镜的像差是正的。由凹凸透镜组合的复合透镜，可使某个高度的球差完全抵消，但不能同时使任何高度上消除球差。,三、彗形像差,旁轴物点发出的宽光束在像平面上不再交于一点，而是形成状如彗星的光斑。由P点发出的主光线与像平面交于P，经过光瞳各圆周的光线落在圆周1、2、3上，但这些圆不是同心，半径越大的圆，圆心偏离P远。,放置光阑可减小慧差。,四、正弦条件和齐明点,正弦条件,1.正弦条件,2.齐明点：满足正弦条件共轭点,五、像散和像面弯曲,像散,这两种像差是由于物点离光轴较远，光束倾斜度较大引起。,出射光束的截面一般是椭圆，但在两处退化为直线。在两散焦线之间某处光束的截面成圆形，这是光束聚焦最清楚地方，是放置照相底片和屏幕的最佳地方。,像面弯曲,对于物平面的点，散焦线和最小模糊圆的轨迹一般是曲面，称像场弯曲。对于照相机，感光底片应做成弯曲曲面。对于单个透镜，像场弯曲可通过在透镜前适当位置放一个光阑来矫正。目前采用复杂透镜可消除象散现象。,代表子午焦线，弧矢焦线和最小模糊圆的轨迹。,六、畸变,各种畸变,像平面内图形的各部分与原物不成比例。若远光轴区域的放大比光轴附近大，出现枕形畸变；反之出现桶形畸变。,光阑放在凸透镜前产生桶形畸变（远光轴点放大小）；放在后面产生枕形畸变（远光轴点放大多）；采用对称镜头，并把光阑置于中间，可使两种相反畸变互相抵消。,七、色像差,色差,不同颜色的光所成的像，位置和大小可能不同，前者称位置像差，后者称放大率像差。单个透镜的色像差难以消除，但把不同材料做成的凸、凹透镜黏合起来，可以对选定的两种波长消除色差。,根据磨镜者公式，两透镜的光焦度为：,与波长无关,两透镜黏合的光焦度为：,8像的亮度、照度和主观亮度,一、像的亮度,1、理想漫射体,2、进入入射光瞳的光通量,决定照相底片感光程度的是像的照度E（投射到像平面上单位面积的光通量）；目视光学仪器的像是眼睛的观察对象，所以是亮度B（进入瞳孔单位立体角的光通量）。,4、物、像的亮度分别为,在忽略通过系统光通量的损失时，像的亮度与物像位置和放大率无关，而且在n=n时，物、像的亮度相同。,3、出射光瞳的光通量,考虑光学系统吸收K1,二、像的照度,1、像距远大于焦距的情形u0定值（投影仪）,投影仪幕上像的照度与横向放大率平方成反比，像放大的同时变暗了。,2、物距远大于焦距的情形u0定值（照相机）,物距远大于焦距时像的照度,像距,入瞳、出瞳的直径相等,出射孔径角,像的照度,(1)像的照度,与D2成正比，与f2成反比,F数（光圈数）：相对孔径之倒数,1.4，2.8,5.6，8，11，16，22F数，又叫光圈数,若要求曝光量相等，当曝光时间增加一倍时，即光圈直径减小倍。,曝光量P正比于像面照度和曝光时间的乘积,(2)相对孔径与F数,光圈数的标示值：后一个数近似为前一个数的倍，因此相对孔径