工程光学专题4、5、6

1、工程光学专题工程光学专题第四章 光束选择孔径光阑、视场光阑 、渐晕光阑 、消杂光光阑 光阑及其作用、分类孔径光阑、入射光瞳、出射光瞳，确定方法视场光阑、入射窗、出射窗，确定方法 共轭关系、主光线、渐晕现象（以相机为例）光阑：光阑： 限制成像光束的光孔，或者是限制成像范围的光孔或限制成像光束的光孔，或者是限制成像范围的光孔或金属框，可分为金属框，可分为孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑和消杂光光孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑和消杂光光阑阑。 光阑在光学系统中的作用：光阑在光学系统中的作用： 决定能通过光学系统的光束；决定能通过光学系统的光束； 决定系统的视场；决定系统的视场； 限制光束中偏离理想位置最大

2、限制光束中偏离理想位置最大 的一些光线，以改善成像质量；的一些光线，以改善成像质量； 拦截系统中有害杂散光；拦截系统中有害杂散光；L：照相镜头：照相镜头A： 可变光阑可变光阑B：感光底片：感光底片 孔径光阑的定义：孔径光阑的定义：1 1）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）；）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）；2 2）选择轴外物点成像光束的位置。）选择轴外物点成像光束的位置。1、孔径光阑、孔径光阑F 孔径光阑孔径光阑F 孔径光阑孔径光阑物像关系物像关系后面后面光学光学系统系统入瞳入瞳出瞳出瞳孔径光阑孔径光阑前面前面光学光学系统系统整整个个光光学学系系统统 孔径光阑的确定方法孔径光阑

3、的确定方法1L2LQ1Q2Q)U2Q2L1QQA A Aa. a. 将光学系统所有光阑（透镜边框和光圈等），将光学系统所有光阑（透镜边框和光圈等），对其前面的光对其前面的光 学系统（物空间）成像学系统（物空间）成像，求像之大小和位置；，求像之大小和位置；b. b. 由由轴上物点轴上物点向各像边缘、第一个透镜边缘分别作连线，求向各像边缘、第一个透镜边缘分别作连线，求张张 角最小值即为入瞳角最小值即为入瞳，相应的共轭物为孔径光阑；，相应的共轭物为孔径光阑；c. c. 孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。 若物体位于无限远，此时仅比较各个像

4、本身的大小，其口径最小者即为入射光瞳。 主光线的入射主光线的入射、出射部分、出射部分各自各自通过入瞳及出瞳的中心通过入瞳及出瞳的中心。主光线主光线1L2LQ1Q2Q2Q1QQ2Q1QQABACB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔径光阑孔径光阑定义：定义：离轴物点离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。发出的、通过孔径光阑中心的光线。 主光线是主光线是通过孔径光阑通过孔径光阑、参与成像的光束参与成像的光束的的中心光线中心光线。2 2、视场光阑：、视场光阑：限定光学系统成像范围的光阑。限定光学系统成像范围的光阑。物方视场物方视场（能够清晰成像的物面范围）（能够清晰成像的物面范围）像方视场像方视场入射视场角：主光

5、线入射视场角：主光线入射入射部分与光轴的夹角部分与光轴的夹角0 0出射视场角：出射视场角：主光线主光线出射出射部分与光轴的夹角部分与光轴的夹角0 0 以主光线刚好被视场光阑边缘遮断的轴外物点为分界：以主光线刚好被视场光阑边缘遮断的轴外物点为分界：入射窗：入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）出射窗：出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最小者即为计算这些像的

6、边缘对入瞳中心的张角大小。张角最小者即为入射窗，入射窗对应的光学零件入射窗，入射窗对应的光学零件(1)把孔径光阑以外的所有光孔经前面的光学系统成像到物空间，把孔径光阑以外的所有光孔经前面的光学系统成像到物空间，确定入瞳中心位置确定入瞳中心位置 。 渐晕现象：渐晕现象：像平面的像平面的边缘边缘比中间暗比中间暗（离轴物点）（离轴物点）。渐晕系数渐晕系数: DDK（渐晕光阑）（渐晕光阑）透镜边框起到透镜边框起到“拦光拦光”的作用。的作用。 3 3、渐晕光阑、渐晕光阑光学系统的景深 景深与哪些因素有关？对成像的影响是什么？物距，孔径有关（相对孔径，焦距。）点物成像为圆斑，像变模糊pp1p1p2p2p

7、成像空间的景深：成像空间的景深： 在景象平面上所获得的成清晰像的在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度物空间深度。 远景远景平面平面近景平面近景平面12 入瞳中心：入瞳中心：物空间参数物空间参数的起算原点的起算原点 出瞳中心：出瞳中心：像空间像空间参数参数的起算原点的起算原点 总成像深度总成像深度景深景深224tan4tanpUU Upatan22物方孔径角物方孔径角U：轴上物点：轴上物点-入瞳边缘连线与光轴的夹角。入瞳边缘连线与光轴的夹角。2,aU 眼睛眼睛ppu2a2122224a=4pap v 孔径光阑孔径光阑光圈光圈相对孔径相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之比入瞳直径与焦距之比)App

8、lied Optics第六章 像差七种像差的形成原因、表现形式，对成像的影响。 如何减小像差（球差、慧差等）系统分辨率基本概念u实际光学系统只在近轴区域成完善像。实际光学系统只在近轴区域成完善像。u像差是由实际光路和理想光路之间差别而引起的成像缺陷。像差是由实际光路和理想光路之间差别而引起的成像缺陷。u单色像差：单色像差：光学系统对单色光成像所产生的像差光学系统对单色光成像所产生的像差，包括：包括：等五种。等五种。u色差：色差：由不同折射率引起的不同波长光线的成像位置和大由不同折射率引起的不同波长光线的成像位置和大小也不同。包括：小也不同。包括：和和。u实际波面与理想球面波的偏差称为实际波面与

9、理想球面波的偏差称为。对于对于宽光束宽光束，轴外主光线和共轴系统的光轴不重合轴外主光线和共轴系统的光轴不重合，使出射光束失去对称使出射光束失去对称，产生，产生彗差、像散和像面弯曲彗差、像散和像面弯曲；1、球差轴上点发出的同心光束，经光学系统各个折射面折射后，不同轴上点发出的同心光束，经光学系统各个折射面折射后，不同孔经角孔经角U U的光线交光轴于不同点上，相对于理想像点的位置有不的光线交光轴于不同点上，相对于理想像点的位置有不同的偏离，这就是球面像差，简称球差同的偏离，这就是球面像差，简称球差。（它它由孔径由孔径引起）引起）lLLu与与h1或或U1有关有关u对称性对称性u与与视场角无关视场角无

10、关单正透镜产生负球差单正透镜产生负球差，单，单负透镜产生正负透镜产生正球差球差对于单个折射球面，在以下三种情况时球差为零：对于单个折射球面，在以下三种情况时球差为零： （1）L0 0，此时，此时L必为零，即必为零，即。 （2 2）光线和光线和球面法线重合，球面法线重合，。 （3 3） 。 UIUI0sinsin或2、彗差u既与既与孔径孔径有关，也与有关，也与视场视场有关。有关。轴外点宽光束轴外点宽光束成像后成像后失去对称性失去对称性的的情况。情况。正弦差正弦差适用于小视场小视场光学系统，而慧差慧差可用于任何视场任何视场的光学系统。子午子午彗差：彗差： 上下上下光线光线的交点偏离主的交点偏离主光

11、线光线弧矢弧矢彗差：彗差： 前后前后光线光线的交点偏离主的交点偏离主光线光线3、场曲某一视场的某一视场的子午像点子午像点、弧、弧矢像点相对于高斯矢像点相对于高斯像面的像面的距离距离称为子午称为子午像像面弯曲面弯曲和弧矢像面弯曲和弧矢像面弯曲，简称，简称子午场曲和弧矢场曲。子午场曲和弧矢场曲。 u只与视场有关只与视场有关，与孔径无关与孔径无关。u视场为零，则场曲为零。视场为零，则场曲为零。4、像散 轴轴外点发出的细（宽）光束的外点发出的细（宽）光束的子午像点与弧矢像点不重合子午像点与弧矢像点不重合，两者两者分开的轴向距离分开的轴向距离称为像散。称为像散。u子午像面和弧矢像面像散均为对称于光轴子午

12、像面和弧矢像面像散均为对称于光轴的的 旋转曲面。旋转曲面。u有像散必有场曲有像散必有场曲，但，但像散为零时，场曲像散为零时，场曲不一定不一定为零为零。5、畸变 当当孔阑孔阑位置移动，位置移动，主光线主光线与高斯像面交点与高斯像面交点高度高度yp变化变化，引，引起起像的变形像的变形。（主光线的像差主光线的像差）u畸变是畸变是垂轴像差垂轴像差，只改变轴外点在理想像面上，只改变轴外点在理想像面上的位置的位置，使像，使像失真，但失真，但不影响像的清晰度不影响像的清晰度。u畸变是畸变是视场视场的函数的函数。 对对白光成像白光成像的光学系统，由于材料对不同波长的的光学系统，由于材料对不同波长的色光折射率色

13、光折射率不同不同，使，使各色光线具有不同的各色光线具有不同的成像位置成像位置和和倍率倍率。按色光按色光波长由短到长波长由短到长，其像点其像点离透镜由近到远离透镜由近到远地排列在光轴地排列在光轴上。这种现象就是上。这种现象就是位置色差位置色差，也称也称轴向色差轴向色差。 轴外点轴外点物点，两种色光两种色光的垂轴放大率不垂轴放大率不一定相等相等引起同一物体成像大小不同，称为倍率色差倍率色差(或放大率色差或垂轴色差)光学系统的倍率色差是以两种色光的主光线在消单色光像差的两种色光的主光线在消单色光像差的高斯像面上交点高度之差高斯像面上交点高度之差来量度。 实际波面与理想波面间存在偏差实际波面与理想波面

14、间存在偏差，当，当实际波面与理想波面在出瞳实际波面与理想波面在出瞳处相切时，两波面间的光程差就是波像差。处相切时，两波面间的光程差就是波像差。u 波波像差为像差为孔径孔径的函数。的函数。u 几何几何像差大时，波像差也大像差大时，波像差也大。u 对对轴上像点，单色波像差轴上像点，单色波像差由由 球差球差决定。决定。u 波波像差小，像质好。像差小，像质好。第第五五章章 光度学和色度学光度学和色度学一一. 辐射量辐射量1. 辐射能辐射能: 反射、传输、接收的能量，单位反射、传输、接收的能量，单位焦耳焦耳。 2. 辐通量：辐通量：单位时间内单位时间内的的辐射能。辐射能。 3. 辐出度：辐出度：辐射源辐

15、射源单位发射面积单位发射面积发出的辐通量发出的辐通量。eQ2 W / meedQdt 单位：2W / meedMdA 单位：4. ：辐射照射面单位辐射照射面单位受照受照面积上接收的辐通量。面积上接收的辐通量。 5. 辐强度：辐强度：点辐射源点辐射源在在单位立体角单位立体角发出的辐通量。发出的辐通量。 6.辐辐亮度亮度： 发光源的元面积在发光源的元面积在 方向的辐量度为该辐射面方向的辐量度为该辐射面在垂直于该方向的平面上的单位投影面积在单位立体角在垂直于该方向的平面上的单位投影面积在单位立体角内发出的辐通量。（表征内发出的辐通量。（表征有限尺寸辐射源有限尺寸辐射源辐射通量的空辐射通量的空间分布）

16、间分布）dAdEeeddIeedAddLeecos单位：单位：W/(srm2) 单位：单位：W/sr 单位：单位：W/m2 二二. 光学量光学量与辐射量相对应，有以下的光学量（与辐射量相对应，有以下的光学量（下标下标V）1. 光通量光通量: 辐通量辐通量的光量度，标度可见光对人眼视觉刺激程的光量度，标度可见光对人眼视觉刺激程度的度的量。（即量。（即若干辐射能相当于多少若干辐射能相当于多少光。）流明光。）流明lm （辐通量）辐通量）1. 光出射度光出射度: lm /m2 （辐出度）辐出度） 2. 光照度光照度:单位面积单位面积上得到的上得到的光通量，光通量， (lm /m2) （辐照度）辐照度）

17、: 单位单位立体角立体角内发出的内发出的光通量光通量，cd （辐强度）辐强度）4. 光亮度光亮度:描述描述有限大小光源有限大小光源的发光特性的发光特性cd /m2 （辐亮度）辐亮度）发光强度发光强度光亮度光亮度vedIdvvcosdLidSd光学光学量和辐射量间的关系量和辐射量间的关系wlmKwlmKdVKddVKdmmemvemv/1755/683)()()()()()(暗视觉条件下：明视觉条件下：在很小的波长范围内：在很小的波长范围内： 光通量就是将辐通量以视见函数为权重以视见函数为权重因子因子折合成对人眼视觉的有效通量。余弦余弦辐射辐射体（体（朗朗伯辐射伯辐射体体）cosNII 常数dAIdAIdAILNNcoscoscos辐射源各方向上的辐射亮度不变各方向上的辐射亮度不变，辐射强度辐射强度随观察方向与面源法线之间的夹角的变化遵守余弦规律遵守余弦规律，这类辐射源称为朗伯辐射体。ULnnULEUnUnAddAULdAUAdLULdA222222222sinsin1sinsin1sinsinsin所以：为透射比，则：设成像成像系统像面的光照度系统像面的光照度轴上像点的照度与孔径轴上像点的照度与孔径角正弦角正弦的平方成正比，与的平方成正比，与线放大率线放大率的平的平方成反比。方成反比。轴轴外像点的光照度外