光学设计ZEMAX复习

1、Chapter12009.3二、棱镜的展开二、棱镜的展开研究棱镜成像性质的方法研究棱镜成像性质的方法直角棱镜直角棱镜主截面：和各个棱相垂直的截面主截面：和各个棱相垂直的截面Chapter12009.3把棱镜的主截面沿反射面折倒，取消棱镜的反射，以平把棱镜的主截面沿反射面折倒，取消棱镜的反射，以平行玻璃板的折射代替棱镜折射的方法称为行玻璃板的折射代替棱镜折射的方法称为“棱镜的展开棱镜的展开”。123313221由于折倒关系，Chapter12009.3三、对棱镜的要求三、对棱镜的要求1 1、棱镜展开后应该是一块平行玻璃板、棱镜展开后应该是一块平行玻璃板2 2、如果棱镜位于会聚光束中，光轴必须、如

2、果棱镜位于会聚光束中，光轴必须和棱镜的入射及出射表面相垂直。和棱镜的入射及出射表面相垂直。Chapter12009.3典型棱镜展开典型棱镜展开1 1、直角棱镜、直角棱镜在平行光路中使用在平行光路中使用ABCA也不一定为不一定A，45，不一定为CAB/A保证只要满要满足两角相等ACBABC折过过去的，二者相等ACB是CBACBAABC则CAB/A即展开开后成平行玻璃板第一个条件：在平行光路中只需 满足Chapter12009.3转任意角度转任意角度2BCA290CB要求光线偏转要求光线偏转 ，则反，则反射面转射面转2这种棱镜称为等腰棱镜这种棱镜称为等腰棱镜5 .672459045CB，则例如要使

3、光轴转Chapter12009.32 2、五角棱镜、五角棱镜Chapter12009.345Chapter12009.33 3、靴形棱镜、靴形棱镜45o60Chapter12009.3为了在一定通光口径下减小棱镜体积，可以把为了在一定通光口径下减小棱镜体积，可以把两个同样的直角棱镜沿斜面胶合在一起，形成两个同样的直角棱镜沿斜面胶合在一起，形成立方棱镜立方棱镜Chapter12009.3使用立方棱镜时要注意使用立方棱镜时要注意：l光束是分两束分别通过两个棱镜进入系统，过了棱镜又合成光束是分两束分别通过两个棱镜进入系统，过了棱镜又合成一束，原来角度一致的平行光通过系统后还应该角度一致，要一束，原来

4、角度一致的平行光通过系统后还应该角度一致，要求两个棱镜反射面严格平行；求两个棱镜反射面严格平行；l入射圆形光束时，出射为两个半圆；不能在圆形光束中工作入射圆形光束时，出射为两个半圆；不能在圆形光束中工作；l入射面与光轴不垂直，只能使用在平行光路中入射面与光轴不垂直，只能使用在平行光路中。Chapter12009.3屋脊面和屋脊棱镜屋脊面和屋脊棱镜作用：在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下，用两个作用：在不改变光轴方向和主截面内成像方向的条件下，用两个相互垂直的反射面代替一个反射面，增加一次反射，使系统总反相互垂直的反射面代替一个反射面，增加一次反射，使系统总反射次数由奇数变成偶数，达到物

5、象相似的要求。射次数由奇数变成偶数，达到物象相似的要求。Chapter12009.3yxz x1 y1 z1yzx x2 y2 z2Chapter12009.3对屋脊面的要求：屋脊角必须严格等于对屋脊面的要求：屋脊角必须严格等于9090度，度，否则形成双像否则形成双像Chapter12009.3确定平面镜棱镜系统成像方向的方法确定平面镜棱镜系统成像方向的方法目的目的1.1.已知平面镜棱镜系统，判断其成像方向已知平面镜棱镜系统，判断其成像方向2. 2. 根据对光轴方向位置和成像方向的要求，设计一个平面镜棱镜系根据对光轴方向位置和成像方向的要求，设计一个平面镜棱镜系统统Chapter12009.3

6、表示平面镜棱镜系统的物像方向的方法表示平面镜棱镜系统的物像方向的方法用一个直角坐标系表示物用一个直角坐标系表示物x: x: 与入射光轴重合与入射光轴重合y:y:位在主截面内位在主截面内z:z:垂直于主截面垂直于主截面同样，用同样，用x x,y,y,z,z表示像的坐标表示像的坐标Chapter12009.3确定成像方向的方法确定成像方向的方法vx x方向确定方向确定 与出射光轴重合与出射光轴重合2. y2. y,z,z方向确定方向确定光轴截面：光轴所在的主截面光轴截面：光轴所在的主截面具有单一主截面的系统：系统中所有棱镜的光轴截面都彼此重合具有单一主截面的系统：系统中所有棱镜的光轴截面都彼此重合

7、Chapter12009.3具有单一主截面的系统具有单一主截面的系统没有屋脊面：没有屋脊面：z z和和z z方向相同方向相同光轴同向：光轴同向： 奇次反射，奇次反射，y y和和y y反向反向光轴同向：光轴同向： 偶次反射，偶次反射，y y和和y y同向同向光轴反向：光轴反向： 奇次反射，奇次反射，y y和和y y同向同向光轴反向：光轴反向： 偶次反射，偶次反射，y y和和y y反向反向Chapter12009.3具有单一主截面的系统具有单一主截面的系统没有屋脊面：没有屋脊面：光轴同向：光轴同向： 奇次反射，奇次反射，y y和和y y反向反向(+)(-)=(-)(+)(-)=(-)光轴同向：光轴

8、同向： 偶次反射，偶次反射，y y和和y y同向同向(+)(+)=(+)(+)(+)=(+)光轴反向：光轴反向： 奇次反射，奇次反射，y y和和y y同向同向(-)(+)=(-)(-)(+)=(-)光轴反向：光轴反向： 偶次反射，偶次反射，y y和和y y反向反向(-)(+)=(-)(-)(+)=(-)判断判断z z方向：已知方向：已知x x,y,y方向后，根据总反方向后，根据总反射次数（镜像还是物像相似），确定射次数（镜像还是物像相似），确定z z方向。方向。Chapter1具有单一主截面的系统具有单一主截面的系统入射和出射光轴入射和出射光轴反射次数反射次数符号符号y和y方向光轴同向偶次反射

9、(+)(+)=(+)y和y同向光轴同向奇次反射(+)(-)=(-)y和y反向光轴反向偶次反射(-)(+)=(-)y和y反向光轴反向奇次反射(-)(-)=(+)y和y同向Chapter12009.3具有单一主截面的系统具有单一主截面的系统如果系统中有屋脊面，判断方法与前面一样，只是在计算总反射次如果系统中有屋脊面，判断方法与前面一样，只是在计算总反射次数时，在屋脊面上算两次。数时，在屋脊面上算两次。Chapter12009.3共轴球面系统和平面镜棱镜系统的组合 共轴球面系统和平面镜系统组合共轴球面系统和平面镜系统组合 1 1、各个透镜组和平面反射的配、各个透镜组和平面反射的配 合次序不受限制合次

10、序不受限制 2 2、为了保持共轴性，各透镜组的光轴，、为了保持共轴性，各透镜组的光轴，须和平面镜系统中的同一共轭轴线相重合。须和平面镜系统中的同一共轭轴线相重合。 3 3、为保持共轴系统光、为保持共轴系统光 学特性不变，须学特性不变，须 使各透镜组之间使各透镜组之间 的间隔不变的间隔不变 Chapter12009.3共轴球面系统和棱镜系统组合共轴球面系统和棱镜系统组合 1 1、配合次序不是任意的、配合次序不是任意的 2 2、必须考虑平行玻璃板产生的像面位移。、必须考虑平行玻璃板产生的像面位移。如果共轴球面系统的光轴和棱镜的入射表面不垂直如果共轴球面系统的光轴和棱镜的入射表面不垂直( (例如立方

11、棱镜例如立方棱镜) )，则该棱镜则该棱镜 只能放在平行光束中，否则将破坏系统的共轴性。只能放在平行光束中，否则将破坏系统的共轴性。 光学系统中的光阑与光束限制光学系统中的光阑与光束限制Chapter12009.3光阑光阑一一 孔径光阑孔径光阑光学系统中，不论是限制成像光束口径大小还是限制成像范围的光学系统中，不论是限制成像光束口径大小还是限制成像范围的孔或框都称为孔或框都称为“光阑光阑”。Chapter12009.3 光阑可在外面也可在里面光阑可在外面也可在里面Chapter12009.3 孔径光阑的位置不同，轴外物点参与成像的光束就不同孔径光阑的位置不同，轴外物点参与成像的光束就不同Chap

12、ter12009.3入射光瞳和出射光瞳入射光瞳和出射光瞳出射瞳孔：孔径光阑在系统像空间的像，出瞳出射瞳孔：孔径光阑在系统像空间的像，出瞳入射瞳孔：孔径光阑在系统物空间的像，入瞳入射瞳孔：孔径光阑在系统物空间的像，入瞳出射瞳孔距离：出瞳离系统最后一面的距离出射瞳孔距离：出瞳离系统最后一面的距离入射瞳孔距离：入瞳离系统第一面的距离入射瞳孔距离：入瞳离系统第一面的距离Chapter12009.3出瞳：是光能最集中的地方，为了看清整个视场，眼睛的瞳孔应出瞳：是光能最集中的地方，为了看清整个视场，眼睛的瞳孔应该和出瞳重合。该和出瞳重合。对出瞳距离必须有一定的要求，一般仪器大于对出瞳距离必须有一定的要求，

13、一般仪器大于6毫米，对于军用仪器，毫米，对于军用仪器，要大一些，可能大于要大一些，可能大于20毫米。毫米。出瞳直径的大小，直接与像的亮暗有关出瞳直径的大小，直接与像的亮暗有关问题：问题：是否出瞳直径越大越好，出瞳距离越长越好？是否出瞳直径越大越好，出瞳距离越长越好？Chapter12009.3二二、 视场光阑（视场光阑（Field Stop） 限制成像范围的光阑限制成像范围的光阑 底片框底片框Chapter12009.3视场光阑限制了成像的范围视场光阑限制了成像的范围视场光阑经其前面光学系统所成的像叫入射窗视场光阑经其前面光学系统所成的像叫入射窗视场光阑经其后面光学系统所成的像叫出射窗视场光阑

14、经其后面光学系统所成的像叫出射窗如果视场光阑与像面重合，出射窗就是视场光阑，入射窗就是物平面如果视场光阑与像面重合，出射窗就是视场光阑，入射窗就是物平面如果视场光阑与物面重合，入射窗就是视场光阑，出射窗就是像平面如果视场光阑与物面重合，入射窗就是视场光阑，出射窗就是像平面 Chapter12009.3照相系统中的光阑照相系统中的光阑一一 照相机的构造照相机的构造镜头：起成像作用镜头：起成像作用底片：感光部分底片：感光部分光阑：限制成像光束，可变光阑光阑：限制成像光束，可变光阑Chapter12009.3孔径光阑的位置不同，渐晕不同孔径光阑的位置不同，渐晕不同Chapter12009.3三三 渐

15、晕渐晕由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像平面边缘比中心由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像平面边缘比中心暗的现象称为暗的现象称为“渐晕渐晕”。线渐晕系数线渐晕系数 DDKD面渐晕系数面渐晕系数 SSKSChapter12009.3给渐晕的原因给渐晕的原因为了减小元件的口径为了减小元件的口径为了去处某些像差较大的光线为了去处某些像差较大的光线在某些望远镜中，渐晕系数可以达到在某些望远镜中，渐晕系数可以达到0.50.5 孔径光阑：限制轴上点或视场中央部分（无渐晕）孔径光阑：限制轴上点或视场中央部分（无渐晕）成像光束口径的光阑。成像光束口径的光阑。 在照相机中：孔径光阑在照相机中：

16、孔径光阑可变光阑可变光阑 视场光阑视场光阑-底片框底片框 Chapter1选择成像光束选择成像光束 成像光束的位置和大小直接影响各个光学零件的大小。成像光束的位置和大小直接影响各个光学零件的大小。 选择成像光束实际上就是选择斜光束，因为轴向光束选择成像光束实际上就是选择斜光束，因为轴向光束不能选择；选择的出发点一般就是使光学零件尽量小，尺不能选择；选择的出发点一般就是使光学零件尽量小，尺寸均匀。寸均匀。 选哪部分光束进来要靠孔径光阑的位置和大小确定；选哪部分光束进来要靠孔径光阑的位置和大小确定；一般原则是把孔径光阑选在轴向光束最大的那些光学一般原则是把孔径光阑选在轴向光束最大的那些光学零件上。

17、零件上。Chapter12009.3显微镜中的光束限制、远心光路显微镜中的光束限制、远心光路一、一般显微镜中光束限制的情况：一、一般显微镜中光束限制的情况：显微镜原理图：Chapter12009.31 1、成像范围：用成像物体的最大尺寸表示，即线视场。、成像范围：用成像物体的最大尺寸表示，即线视场。 线视场的大小由像面上放置的框大小决定。它限制了观线视场的大小由像面上放置的框大小决定。它限制了观察范围，因此它是视场光阑。察范围，因此它是视场光阑。考虑到显微镜互换性，通常视考虑到显微镜互换性，通常视场光阑为场光阑为2y2y =20mm,=20mm,由由 y = yy = y / / , ,若若=

18、40=40 , ymax =20/40=0.5mm, ymax =20/40=0.5mmChapter12009.32 2、成像光束的大小、成像光束的大小: :用轴上点发出的光束与光轴的夹角来表示用轴上点发出的光束与光轴的夹角来表示U : U : 物方孔径角物方孔径角U U : : 像方孔径角像方孔径角由光轴转向光线由光轴转向光线 若已知若已知D D 和视放大率，如何求入射光束口径？和视放大率，如何求入射光束口径？Chapter12009.3由于由于显微镜物方孔径角显微镜物方孔径角u u和物方折射率和物方折射率n n的乘积的乘积nunu叫做数值孔径，叫做数值孔径，NANA2目fDutguunn

19、uunnuyy对于显微物镜对于显微物镜n n =1=150050015002502DDfDfDunu目目目500DnuNAChapter12009.3为保证出射光束有一定大小，为保证出射光束有一定大小，D D 1mm1mm则则 NANA/500/500增大增大NANA的方法：的方法：NA=nuNA=nu 1 1、提高、提高u;u; 2 2、提高、提高n; n; 使用油浸物镜。使用油浸物镜。NANA的选择：越大越好。的选择：越大越好。 1 1、NA= DNA= D /500, D/500, D 一定，要求一定，要求大，大，需需增大增大NA;NA; 一定，要求一定，要求D D 大，亮，也需增大大，

20、亮，也需增大NA.NA.2 2、NANA与显微镜的分辨率有关，与显微镜的分辨率有关，NANA越大，分辨率越高。越大，分辨率越高。Chapter12009.3二、测量显微镜中的光束限制情况二、测量显微镜中的光束限制情况1 1、测量物体大小的显微镜、测量物体大小的显微镜：2y2y 物镜的标尺离透镜的距离固定不变，垂轴放大率物镜的标尺离透镜的距离固定不变，垂轴放大率是一个常数是一个常数，测出像高，测出像高y y ，即可算出物高，即可算出物高 y=yy=y / / 误差：物平面位置须准确，像平面才能与标尺重合误差：物平面位置须准确，像平面才能与标尺重合Chapter12009.3A A1 1B B1

21、1ABB B A A B B1 1 A A1 1 y y1 1 y当物平面位置不准确时：当物平面位置不准确时：误差的原因：误差的原因：像平面上测量的是弥散圆的中心，即主光线与像平面的交点。由像平面上测量的是弥散圆的中心，即主光线与像平面的交点。由于孔径光阑位在物镜处，主光线随着物平面的移动而改变，其与于孔径光阑位在物镜处，主光线随着物平面的移动而改变，其与像平面的交点也随之改变。像平面的交点也随之改变。解决的办法：使主光线不变解决的办法：使主光线不变Chapter12009.3远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处孔径光阑 y1=y入射主光线与光轴平行，出

22、射主光线永远不变，与像平面的交点位入射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平面的交点位置也不变置也不变物方远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处，入瞳在无限远物方远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处，入瞳在无限远Chapter12009.32 2、用于大地测量的显微镜：、用于大地测量的显微镜：F物yy-f物-l需要测量距离，物镜焦距已知，物体高度（标杆）已知，测出像需要测量距离，物镜焦距已知，物体高度（标杆）已知，测出像高高y y，即可求出物距，即可求出物距yyfl若孔径光阑位在物镜处，如果调焦不准，就会带来误差若孔径光阑位在物镜处，如果调焦不准，就会带来误差Chapter12009.

23、3A AB BA A B B y y y y1 1 当像平面与标尺分划刻线不重合时：当像平面与标尺分划刻线不重合时： Chapter12009.3出射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平面的交点位出射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平面的交点位置也不变置也不变像方远心光路：将孔径光阑放置在物方焦平面处，出瞳在无限远像方远心光路：将孔径光阑放置在物方焦平面处，出瞳在无限远远心光路不能随意乱用远心光路不能随意乱用Chapter12009.3三三、场镜的特性及其应用场镜的特性及其应用场镜的作用场镜的作用物镜目镜F目Chapter12009.3F F 物物物镜物镜场镜场镜目镜目镜场镜

24、的作用：在不改变光学系统成像特性的前提下，改变成像光场镜的作用：在不改变光学系统成像特性的前提下，改变成像光束的位置。束的位置。问题：场镜是否都是正透镜？问题：场镜是否都是正透镜？ 光度学基础光度学基础Chapter12009.3概述概述 光学系统是一个传输辐射能量的系统光学系统是一个传输辐射能量的系统 能量传输能力的强弱，影响像的亮暗能量传输能力的强弱，影响像的亮暗辐射度学：研究辐射度学：研究电磁波辐射电磁波辐射的测试计量的测试计量计算的学科计算的学科光度学：在人眼视觉的基础上，研究光度学：在人眼视觉的基础上，研究可可见光见光的测试计量计算的学科的测试计量计算的学科Chapter12009.

25、3空间上的角：立体角空间上的角：立体角s so o一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角一个任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角2rs若在以若在以r r为半径的球面上截得的面积为半径的球面上截得的面积s= rs= r2 2，则此立体角为，则此立体角为1 1球面度球面度整个空间球面面积为整个空间球面面积为4 r4 r2 2, ,对应立体角为对应立体角为 4 4 2rs立体角的意义和它在光度学中的应用立体角的意义和它在光度学中的应用Chapter12009.3二、立体角的计算二、立体角的计算假定一个圆锥面的半顶角为假定一个圆锥面的半顶角为 ，求该圆锥所包含的立体角，求该圆锥所包含的立体角

26、以以r r为半径作一圆球，假定在圆球上取一个为半径作一圆球，假定在圆球上取一个 对应的对应的环带，环带宽度为环带，环带宽度为 ，环带半径为，环带半径为 ，所以环带，所以环带长度为长度为 ，环带总面积为，环带总面积为drdsinrsin2 r220222sin4)cos1(2cos2cos2sin2sin2sin2较小时，或者将上式积分得它对应的立体角为dddrdsddrrrddsChapter12009.3辐射度学中的基本量及其计量单位辐射度学中的基本量及其计量单位一、辐射通量一、辐射通量 单位时间内辐射体辐射的总能量单位时间内辐射体辐射的总能量-辐射功率辐射功率e单位：瓦特单位：瓦特 （W

27、W）反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分反映辐射强弱，是辐射体各波段辐射能量的积分dddeee00lime e ：光谱密集度曲线：光谱密集度曲线Chapter12009.3二、辐射强度二、辐射强度辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量辐射体在某一指定方向上单位立体角范围内的辐射通量符号：符号： 单位：瓦每球面度（单位：瓦每球面度（W/srW/sr）eIddIee表示辐射体在不同方向上的辐射特性表示辐射体在不同方向上的辐射特性Chapter12009.3三、辐射出射度三、辐射出射度辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量辐射体上某一点附近某一微元面积上辐射的总辐射通量符号

28、：符号： 单位：瓦每平方米（单位：瓦每平方米（W/mW/m2 2）eMeddsdMee不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同不管向哪个方向辐射，描述辐射体表面不同位置上单位面积的辐射特性位置上单位面积的辐射特性dsdsA AChapter12009.3四、辐射照度四、辐射照度辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，辐射照度与辐射出射度正好相反，不是发出辐射通量，而是被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐而是被辐射体上某一点附近某一微元面积上接收的总辐射通量射通量符号：符号： 单位：瓦每平方米（单位：瓦每平方米（W/mW/m2 2）eEeddsdEeedsdsA AChapter1

29、2009.3五、辐射亮度五、辐射亮度辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内辐射体表面某点附近，在某一指定方向上单位立体角内单位投影面积上发出的辐射通量单位投影面积上发出的辐射通量符号：符号： 单位：瓦每球面度每平方米（单位：瓦每球面度每平方米（W/sr.mW/sr.m2 2）eLcosdsdsdsILnnee描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性描述了辐射体不同位置不同方向上的辐射特性Chapter12009.3人眼的视见函数人眼的视见函数 辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可辐射体发出电磁波，进入人眼，在可见光范围内，可以产生亮暗感觉；以产生亮暗感觉；可见光范围内，人眼

30、对不同波长光的视觉敏感度不同可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义光度学中，为表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别，定义了一个函数了一个函数 ，称为视见函数，又称光谱光视效率。，称为视见函数，又称光谱光视效率。VChapter12009.3 光线颜色光线颜色波长波长/nm/nmV V光线颜色光线颜色波长波长/nm/nmV V紫紫紫紫靛靛靛靛靛靛蓝蓝蓝蓝蓝蓝蓝蓝蓝蓝绿绿绿绿绿绿绿绿黄黄黄黄黄黄黄黄黄黄4004004104104204204304304404404504504604604704704804804904905005005105

31、105205205305305405405505505555555605605705700.00040.00040.00120.00120.00400.00400.01160.01160.02300.02300.03800.03800.06000.06000.09100.09100.13900.13900.20800.20800.32300.32300.50300.50300.71000.71000.86200.86200.95400.95400.99500.99501.00001.00000.99500.99500.95200.9520黄黄黄黄橙橙橙橙橙橙橙橙橙橙橙橙红红红红红红红红红红红红

32、红红红红红红红红红红5805805905906006006106106206206306306406406506506606606706706806806906907007007107107207207307307407407507507607600.87000.87000.75700.75700.63100.63100.50300.50300.38100.38100.26500.26500.17500.17500.10700.10700.06100.06100.03200.03200.01700.01700.00820.00820.00410.00410.00210.00210.001050

33、.001050.000520.000520.000250.000250.000120.000120.000060.00006Chapter12009.3把对人眼最灵敏的波长把对人眼最灵敏的波长 的视的视见函数定为见函数定为1 1，即，即nm5551)555(V假定人眼同时观察两个位于相同距离上的辐射体假定人眼同时观察两个位于相同距离上的辐射体A A和和B B，这两个辐射体在观察方向上的辐射强度相等，这两个辐射体在观察方向上的辐射强度相等，A A辐射的电辐射的电磁波波长为磁波波长为 ，B B辐射的波长为辐射的波长为555nm555nm，人眼对，人眼对A A的视的视觉强度与人眼对觉强度与人眼对B

34、B的视觉强度之比，作为的视觉强度之比，作为 波长的视波长的视见函数。见函数。Chapter12009.3举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体举例：人眼同时观察距离相同的两个辐射体A A和和B B，假定辐射，假定辐射强度相同，强度相同，A A辐射波长为辐射波长为600nm, B600nm, B辐射波长为辐射波长为500nm500nm。V(600)=0.631 V(500)=0.323V(600)=0.631 V(500)=0.323A A对人眼产生的视觉强度是对人眼产生的视觉强度是B B对人眼产生视觉强度的对人眼产生视觉强度的0.631/0.3230.631/0.323倍，近似倍，近似2 2倍

35、。倍。若要使若要使A A和和B B对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体对人眼产生相同的视觉强度，则辐射体A A的辐射的辐射强度应该是辐射体强度应该是辐射体B B强度的一半。强度的一半。Chapter12009.3光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定光度学中的光通量与辐射度学中的辐射通量相对应。假定有一单色光，其辐射通量为有一单色光，其辐射通量为 ，其中能够引起视觉，其中能够引起视觉的部分为光通量的部分为光通量-用人眼视觉强度来度量的辐射通用人眼视觉强度来度量的辐射通量。量。光度学中的基本量光度学中的基本量一、发光强度和光通量一、发光强度和光通量1 1、光通量定义、光通量定义eded

36、VCd)(C C为单位换算常数。为单位换算常数。Chapter12009.32 2、发光强度、发光强度发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应发光强度与辐射度学中的辐射强度相对应。发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多发光强度指指定方向上单位立体角内发出光通量的多少。也可以理解为在这一方向上辐射强度中有多少是少。也可以理解为在这一方向上辐射强度中有多少是发光强度。发光强度。eeIVCddCVddI)()(单位：坎（德拉）单位：坎（德拉） cdcdChapter12009.3常数常数C C：CIECIE规定：当发光体发出的光全部是规定：当发光体发出的光全部是 的单色光，在某一方向上辐射强度的

37、单色光，在某一方向上辐射强度 ，则发光体在此方向上的发光强度为，则发光体在此方向上的发光强度为1cd1cd。nm555)/(6831srWIe)(683/683111WsrcdcsrWccd代回发光强度表示式，代回发光强度表示式，eIVI)(683若若 则则 流明（流明（lmlm）111IddsrdcdIChapter12009.33 3、光谱光视效能、光谱光视效能 与与 的乘积称为光谱光视效能的乘积称为光谱光视效能，用，用 表示。表示。C)(V)(K。称称为为最最大大光光谱谱光光视视效效能能s sr r/ /WW6 68 83 3c cd d即即K K1 1时时，K K( ( ) )最最大大

38、，当当V V( ( ) )6 68 83 3V V( ( ) )K K( ( ) )mm 表示人眼对不同波长光辐射的敏感度差别，表示人眼对不同波长光辐射的敏感度差别， )(V)(K 表示辐射通量中有多少可以转变为光通量。表示辐射通量中有多少可以转变为光通量。Chapter12009.34 4、连续光谱的光通量计算、连续光谱的光通量计算有了光谱光视效能后，光通量公式可写成有了光谱光视效能后，光通量公式可写成eedKdCVd)()(总的光通量应该等于整个波长范围内上式的积分总的光通量应该等于整个波长范围内上式的积分000)()(dKdKdee发光体的发光特性：光视效能发光体的发光特性：光视效能00

39、)(ddKKeeeChapter12009.3 常见光源的光视效能常见光源的光视效能光源种类光源种类光视效能光视效能(lm/w)(lm/w)光源种类光源种类光视效能光视效能(lm/w)(lm/w)钨丝灯（真空）钨丝灯（真空）钨丝灯（充气）钨丝灯（充气）石英卤素灯石英卤素灯气体放电管气体放电管89.289.29.2219.221303016301630日光灯日光灯高压水银灯高压水银灯超高压水银灯超高压水银灯钠光灯钠光灯27412741344534454047.54047.56060Chapter12009.3二、光出射度和光照度二、光出射度和光照度、光出射度：发光体表面某点附近单位面积发出的光、

40、光出射度：发光体表面某点附近单位面积发出的光通量。通量。dsdMddsdsA A发光表面均匀发光情况下发光表面均匀发光情况下sM（lm/mlm/m2 2）Chapter12009.32 2、光照度：某一表面被发光体照明，其表面某点附近单、光照度：某一表面被发光体照明，其表面某点附近单位面积接收的光通量。位面积接收的光通量。dsdEddsdsA A被照表面均匀照明情况下被照表面均匀照明情况下sE（lxlx）单位：勒克司单位：勒克司 1 1 lxlx=1 =1 lmlm/ /m m2 2Chapter12009.3观看仪器的示值观看仪器的示值一般阅读及书写一般阅读及书写精细工作（修表等）精细工作（

41、修表等）摄影场内拍摄电影摄影场内拍摄电影照相制版时的原稿照相制版时的原稿明朗夏日采光良好的室内明朗夏日采光良好的室内太阳直照时的地面照度太阳直照时的地面照度满月在天顶时的地面照度满月在天顶时的地面照度无月夜天光在地面产生的照度无月夜天光在地面产生的照度3050 lx3050 lx507050701002001002001 1万万3 3万万44万万1005001005001010万万0.20.23 310104 4 常见物体的光照度值常见物体的光照度值Chapter12009.3三、光亮度三、光亮度发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立体角内发出

42、的光通量。体角内发出的光通量。cosdsdddsILn单位：坎单位：坎/ /米米2 2发光体某点在给定方向上的发发光体某点在给定方向上的发光特性。光特性。Chapter12009.3 常见物体的光亮度值常见物体的光亮度值光源名称光源名称光亮度光亮度(cd/m(cd/m2 2) )光源名称光源名称光亮度光亮度(cd/m(cd/m2 2) )在地球上看到的太阳在地球上看到的太阳普通电弧普通电弧钨丝白炽灯灯丝钨丝白炽灯灯丝太阳照射下漫射的白色表太阳照射下漫射的白色表面面1.51.510109 91.51.510108 8(515)(515)10106 63 310104 4在地球上看到的月亮表面在地

43、球上看到的月亮表面人工照明下书写阅读时的纸人工照明下书写阅读时的纸面面白天的晴朗天空白天的晴朗天空2.52.510103 310105 510103 3Chapter12009.3第五节第五节 光照度公式和发光强度余弦定律光照度公式和发光强度余弦定律一、光照度公式一、光照度公式 假定点光源照明微小平面假定点光源照明微小平面dsds，dsds离开光源距离为离开光源距离为l l，表面法线，表面法线方向与照明方向成方向与照明方向成 ，若光源在此方向上发光强度为，若光源在此方向上发光强度为I I，求光源，求光源在在dsds上的光照度。上的光照度。222coscoscoslIElIdsdldsdIddd

44、SdE光照度公式光照度公式Chapter12009.3注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离相比很注意：公式是在点光源情况下导出的，对于发光面积和照明距离相比很小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明，就不能用了小的情况也可以用。发光面积大时，如日光灯在室内照明，就不能用了；但室外用日光灯，在远距离照度又可以应用。；但室外用日光灯，在远距离照度又可以应用。问题：同样一间屋子，用问题：同样一间屋子，用60W60W钨丝灯比用钨丝灯比用40W40W钨丝灯照明显得亮？钨丝灯照明显得亮？发光效率发光效率K K相同，相同，EIKeeChapter12009.3二、发光强度余弦定

45、律二、发光强度余弦定律在各方向上的光亮度都近似一致的均匀发光体称为朗伯辐射体在各方向上的光亮度都近似一致的均匀发光体称为朗伯辐射体I I0 0I Idsdscoscos000IIdsIdsILIds一致，发光体在各方向光亮度的发光强度为在与该微面垂直方向上假定发光微面发光强度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦发光强度余弦定律，也称朗伯定律，符合余弦定律的发光体称为余弦辐射体或朗伯辐射体。定律的发光体称为余弦辐射体或朗伯辐射体。dsdsI I0 0I IChapter12009.3应用：求发光微面发出的光通量应用：求发光微面发出的光通量d ds sL Lu u已知：发光微面已知：发光微面dsds，

46、光亮度为，光亮度为L L，求它在半顶角为，求它在半顶角为u u的圆锥的圆锥内所辐射的总光通量。内所辐射的总光通量。 0IduIdd的圆锥对应的立体角为的圆锥对应的立体角为半顶角为半顶角为量为量为解：微小立体角内光通解：微小立体角内光通cos,cos00dsLIdsLIIIuLdsdLdsIddIddu200sincoscos2cos2公式，得代入与将LdsLdsu2,90双面发光，单面发光，Chapter12009.3全扩散表面全扩散表面如果被照明物体表面由于漫反射的作用使它在各个方如果被照明物体表面由于漫反射的作用使它在各个方向上光亮度都相同，则称这样的表面为全扩散表面。向上光亮度都相同，则

47、称这样的表面为全扩散表面。白纸白纸喷粉的墙壁喷粉的墙壁白灰白灰电影银幕电影银幕雪雪Chapter12009.3全扩散表面的光亮度全扩散表面的光亮度已知：全扩散表面面积已知：全扩散表面面积dsds，光照度，光照度E E求：全扩散表面光亮度求：全扩散表面光亮度L LEdsdds表面接收的光通量为射出去了。百分之多少光通量漫反为漫反射系数，表示有EdsddLdsd单面发光的光源，全扩散表面可以看成是ELLdsEds1Chapter12009.3 物体表面的漫反射系数值物体表面的漫反射系数值照明表面漫反射系数%照明表面漫反射系数%氧化镁石灰雪白纸白砂969178708025粘土月亮黑土黑呢绒黑丝绒16

48、1020510140.21Chapter12009.302222211LnLnLnLkk折合光亮度折合光亮度如果不考虑光束在传播过程中的光能损失，则位在同一条光如果不考虑光束在传播过程中的光能损失，则位在同一条光线上的所有各点，在该光线传播方向上的折合光亮度不变。线上的所有各点，在该光线传播方向上的折合光亮度不变。光学系统中光束的光亮度光学系统中光束的光亮度Chapter12009.3四、理想光学系统中像的光亮度四、理想光学系统中像的光亮度像点像点A A和物点和物点A A的亮度关系的亮度关系2)(nnLL物像方折射率相同时，物像方折射率相同时，L=LL=L实际光学系统中，考虑到光能损实际光学系

49、统中，考虑到光能损失，失，2)(nnLL为光学系统的透过率。为光学系统的透过率。Chapter12009.3像平面的光照度像平面的光照度一、轴上点的光照度一、轴上点的光照度已知：成像物体光亮度已知：成像物体光亮度L, L, 像方孔径角为像方孔径角为u u求求: :像面光照度像面光照度E Esinmax2udsLdmax22max2sin)(sinunnLuLdsdEmax2sin, uLEnnChapter12009.3二、轴外像点的光照度公式二、轴外像点的光照度公式像平面上轴外点的光照度一定小于轴上像平面上轴外点的光照度一定小于轴上点的光照度。点的光照度。2coslIEChapter1200

50、9.31 1、由于轴外光束倾斜后，出瞳在光束垂直方、由于轴外光束倾斜后，出瞳在光束垂直方向上的投影面积减小。轴外点的发光强度比向上的投影面积减小。轴外点的发光强度比轴上点的发光强度轴上点的发光强度I I0 0小。小。coscos00III2 2、照明距离比轴上点的照明距离增加，、照明距离比轴上点的照明距离增加，cos/0ll 代回代回2coslIEcoscoscoscos4200200lIlIE得得由于轴上点光照度由于轴上点光照度2000lIE 所以所以cos40EEChapter12009.3 不同视场角的不同视场角的E E/E/E0 0值值1020300.9410.7800.5634050

51、600.3440.1710.063系统中存在斜光束渐晕时系统中存在斜光束渐晕时，cos40KEE0 EE0 EEChapter12009.3照相物镜像平面的光照度和光圈数照相物镜像平面的光照度和光圈数H H FFD DU U maxmax一、像平面光照度一、像平面光照度2sinmaxfDU代入代入max20sinULE得得204fDLE fDA物镜的相对孔径物镜的相对孔径Chapter12009.3二、光圈、光圈数二、光圈、光圈数光圈：相对孔径光圈：相对孔径 分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。分度的方法是按每一刻度值对应的像面照度减小一半。相对孔径按相对孔径按 等比级数变化。等比

52、级数变化。2: 11: 14 . 1: 12: 18 . 2: 111: 116: 122: 1光圈数：相对孔径的倒数，用光圈数：相对孔径的倒数，用F F表示。表示。F F制光圈制光圈Chapter12009.3三、曝光量三、曝光量假定像面照度为假定像面照度为E E， 曝光时间为曝光时间为t,t,底片上单位面积接受的曝底片上单位面积接受的曝光亮光亮H H为为 H=E t (lx .s)H=E t (lx .s)T T制光圈制光圈假定某个透镜透过率为假定某个透镜透过率为 ，相对孔径为，相对孔径为 fD22)()(fDfDT这样，像平面光照度公式可以写为这样，像平面光照度公式可以写为204TfDL

53、EChapter12009.3光学系统中光能损失的计算光学系统中光能损失的计算一、光能损失的原因一、光能损失的原因1 1”1 1”2 2”2 21 1、光束在光学零件表面的反射；、光束在光学零件表面的反射；2 2、光束通过介质时的吸收。、光束通过介质时的吸收。影响：光学系统成像光亮度降低影响：光学系统成像光亮度降低 像的清晰度下降像的清晰度下降 形成寄生像形成寄生像Chapter12009.3lNNNN)99. 0()95. 0()96. 0()90. 0()85. 0(4321nlnllmPPP212121)1 ()1)(1 ( 透过率公式透过率公式其中：其中：N N1 1：镀铝面数：镀铝面

54、数N N2 2：镀银面数：镀银面数N N3 3：冕牌玻璃和空气接触面数：冕牌玻璃和空气接触面数N N4 4：火石玻璃和空气接触面数：火石玻璃和空气接触面数 ：沿光轴计算的玻璃总厚度（以厘米为单位）：沿光轴计算的玻璃总厚度（以厘米为单位）lChapter12009.3为了减少光学零件表面的反射损失，可以在光学零件为了减少光学零件表面的反射损失，可以在光学零件表面镀增透膜。表面镀增透膜。最常见的化学镀增透膜使反射损失降到最常见的化学镀增透膜使反射损失降到0.01, 此时，此时，公式变为公式变为4321)99. 0()90. 0()85. 0(NNlNNChapter12009.3例：计算周视瞄准镜

55、的透过系数例：计算周视瞄准镜的透过系数Chapter12009.3零零件件号号名称名称材材料料透镜厚度或透镜厚度或棱镜展开厚棱镜展开厚度度(cm)(cm)与空气接与空气接触的表面触的表面数数镀银镀银面数面数1 12 23 34 45 56 67 7保护玻璃保护玻璃直角棱镜直角棱镜道威棱镜道威棱镜物镜正透镜物镜正透镜物镜负透镜物镜负透镜屋脊棱镜屋脊棱镜分划板分划板目镜第一透目镜第一透镜镜目镜第二透目镜第二透镜镜目镜第三透目镜第三透镜镜目镜第四透目镜第四透镜镜冕冕冕冕冕冕冕冕火火石石冕冕冕冕火火石石冕冕冕冕火火石石0.30.32.62.65.285.280.350.350.20.22.92.90.

56、30.30.10.10.520.520.520.520.10.12 22 22 21 11 12 22 21 11 11 11 11 1Chapter12009.3由此可见，光能损失非常大，镀膜以后，透过率为39. 0)99. 0()95. 0()96. 0()91. 0(17.13313167. 0)99. 0()90. 0(17.291镀膜以后，透过率大大提高镀膜以后，透过率大大提高如果不镀膜，透过率为如果不镀膜，透过率为Chapter12009.3投影仪的光能计算投影仪的光能计算投影仪作用：把一定大小的物体用光源照明后成像到投影仪作用：把一定大小的物体用光源照明后成像到屏幕上进行观察和测

57、量屏幕上进行观察和测量种类：电影放映机，幻灯机，投影仪等种类：电影放映机，幻灯机，投影仪等要求：成像清晰；物像相似要求：成像清晰；物像相似 像面有足够的光照度，分布均匀像面有足够的光照度，分布均匀Chapter12009.3投影系统的组成投影系统的组成1 1、投影物镜：把一定大小的物体成像在屏幕上，使成、投影物镜：把一定大小的物体成像在屏幕上，使成像清晰，物象相似像清晰，物象相似y yy y2 2、照明系统：照明物体，充分利用光源发出的光能、照明系统：照明物体，充分利用光源发出的光能，并使照明均匀。，并使照明均匀。Chapter12009.3投影系统的分类投影系统的分类第一类：临界照明第一类：

58、临界照明: :光源通过照明系统成像在物平面上，光源通过照明系统成像在物平面上，照亮物体；物体在经投影物镜成像在屏幕上。电影放映机照亮物体；物体在经投影物镜成像在屏幕上。电影放映机照明系统照明系统光源光源投影物镜投影物镜屏幕屏幕A AB BB BA AChapter12009.3反射照明反射照明透射照明透射照明Chapter12009.3第二类：柯勒照明第二类：柯勒照明: :光源通过照明系统成像在投影物镜的入光源通过照明系统成像在投影物镜的入瞳上；物体在经投影物镜成像在屏幕上。幻灯机，放大机瞳上；物体在经投影物镜成像在屏幕上。幻灯机，放大机Chapter12009.3计量用的投影仪，为避免调焦不

59、准，采用物方远心光路计量用的投影仪，为避免调焦不准，采用物方远心光路Chapter12009.3投影屏幕上的光照度投影屏幕上的光照度 通常，屏幕距投影物镜距离与物镜焦距相比，达数十倍，因通常，屏幕距投影物镜距离与物镜焦距相比，达数十倍，因此投影物平面近似为物镜的物方焦平面此投影物平面近似为物镜的物方焦平面因为因为2sinfDU 12sin fDUsinsinUU 所以所以 UUsinsin 220141 fDE光照度与相对孔径的平方成正比光照度与相对孔径的平方成正比光照度与垂轴放大率的平方成反比光照度与垂轴放大率的平方成反比1) 1(2lLfChapter12009.3投影系统中的光能计算投影

60、系统中的光能计算l 已知投影系统结构参数，求像平面光照度已知投影系统结构参数，求像平面光照度l 已知像平面光照度，求投影系统和照明系统结构参数已知像平面光照度，求投影系统和照明系统结构参数 目视光学系统目视光学系统Chapter12009.3人眼的光学特性人眼的光学特性v 人眼的构造人眼的构造从光学角度看，主要有三部分：从光学角度看，主要有三部分：镜头镜头底片底片光阑光阑人眼相当于一架照相机，人眼相当于一架照相机，能够自动调节能够自动调节Chapter12009.3角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入眼睛角膜：透明球面，光线首先通过角膜进入眼睛前室：角膜后面的空间部分，充满水液，前室：角膜后面