光学仪器的基本原理

1、一一.光学仪器及分类光学仪器及分类 第四章第四章 光学仪器的基本原理光学仪器的基本原理 （Fundamental Principle of the Optical Instrument）1.定义定义:多种光学元件按一定要求组成的系统多种光学元件按一定要求组成的系统.2.分类分类:成实像成实像:照相机照相机、幻灯机幻灯机、电影放映机电影放映机、投影仪投影仪成虚像成虚像:放大镜放大镜、显微镜、望远镜等、显微镜、望远镜等助视仪器助视仪器.二二.实际光学仪器实际光学仪器按成像性质按成像性质:理想成像要求理想成像要求:近轴近轴近轴物点近轴光线近轴物点近轴光线;单色单色物体所发光线是单色的物体所发光线是单

2、色的.按性能有显微镜、望远镜、照相机按性能有显微镜、望远镜、照相机实际光学仪器实际光学仪器:非近轴和复色光非近轴和复色光.会造成矛盾会造成矛盾:1.像的清晰度与像场能量聚焦程度的矛盾像的清晰度与像场能量聚焦程度的矛盾;复色复色色差色差,非近轴非近轴象差象差几何光学观点几何光学观点:必须满足单色、近轴条件必须满足单色、近轴条件.能量观点能量观点:不宜限于近轴区域不宜限于近轴区域,若使像明亮若使像明亮,进入进入光学仪器的光束尽量宽光学仪器的光束尽量宽.2.成像的清晰度与细节分辨程度的矛盾成像的清晰度与细节分辨程度的矛盾;几何光学观点几何光学观点:减小象差减小象差满足近轴条件满足近轴条件;波动光学观

3、点波动光学观点:光线越近轴光线越近轴光束受限越紧光束受限越紧衍射越衍射越明显明显像的清晰度越低像的清晰度越低.像的清晰度与像面亮度及分辨本领不可同时兼得像的清晰度与像面亮度及分辨本领不可同时兼得.4.1 人眼的结构（人眼的结构（The structure of human eye）*一一.结构结构角膜角膜:厚度厚度:0.55mm水晶体：水晶体： 中央中央:n 1.42, 软软 外部外部:n 1.373, 硬硬视网膜：视网膜： 1亿亿2千千5百万细胞百万细胞锥状锥状:颜色，细节颜色，细节杆状杆状:光强，位置光强，位置中央凹：中央凹：0.25mm 大量锥状细胞大量锥状细胞简化眼简化眼:人眼是一个由

4、角膜、水状液、晶状体和玻璃人眼是一个由角膜、水状液、晶状体和玻璃液组成的可变焦距的共轴复杂光具组液组成的可变焦距的共轴复杂光具组,能在视网膜上成能在视网膜上成清晰的像清晰的像.二二.人眼的调节功能人眼的调节功能 为使不同距离的物体能在视网膜上成清晰的像而为使不同距离的物体能在视网膜上成清晰的像而改变眼睛焦距的过程改变眼睛焦距的过程.人眼的调节方式人眼的调节方式:自动调节自动调节(自调节自调节)和被动调节和被动调节(矫正矫正).1.自调节自调节 正常人眼靠睫状肌的松弛和紧张来改变晶状体的正常人眼靠睫状肌的松弛和紧张来改变晶状体的曲率半径从而改变人眼焦距的过程是自动完成的曲率半径从而改变人眼焦距的

5、过程是自动完成的.说明说明:1).自调节有一定限度自调节有一定限度:近点和远点之间近点和远点之间;远点远点:人眼能看清的最远点人眼能看清的最远点.人眼看远点处物体时睫状肌人眼看远点处物体时睫状肌处于完全松弛状态晶状体的曲率半径最大处于完全松弛状态晶状体的曲率半径最大.2).人眼疲劳程度与睫状肌的松紧程度有关人眼疲劳程度与睫状肌的松紧程度有关;近点近点:人眼能看清的最近点人眼能看清的最近点.人眼看近点处物体时睫状人眼看近点处物体时睫状肌处于最紧张的状态晶状体的曲率半径最小肌处于最紧张的状态晶状体的曲率半径最小. 看远物时肌肉松弛看远物时肌肉松弛,不易疲劳不易疲劳;看近物时肌肉紧张看近物时肌肉紧张

6、,容易疲劳容易疲劳.3).近点远点的调节范围随年龄增长而变化近点远点的调节范围随年龄增长而变化; 近点变化近点变化:幼年幼年78cm,中年中年25cm,老年老年12m;远点变化远点变化:幼年幼年无限远无限远, 老年老年数米数米;随年龄增长随年龄增长,肌肉老化肌肉老化,自调节范围缩小自调节范围缩小.4).适当照明下适当照明下, 正常眼观察眼前正常眼观察眼前25cm处的物体是轻松处的物体是轻松的的,且能看清物体的细节且能看清物体的细节,称称25cm的距离为的距离为明视距离明视距离.2.人眼的缺陷及矫正人眼的缺陷及矫正被动调节被动调节:外加辅助仪器改变外加辅助仪器改变焦距的过程焦距的过程.具备完善自

7、调节功能的人眼称正常眼具备完善自调节功能的人眼称正常眼,反之称非正常眼反之称非正常眼.1).近视眼近视眼:远点在有限距离的人眼远点在有限距离的人眼.特点特点:晶状体曲率半径比正常眼小晶状体曲率半径比正常眼小,外形凸出外形凸出;像方焦像方焦点在视网膜前点在视网膜前,焦距短焦距短.2).远视眼远视眼:近点比正常眼远的人眼近点比正常眼远的人眼.特点特点:晶状体曲率半径比正常眼大晶状体曲率半径比正常眼大;像方焦点在视网像方焦点在视网膜后膜后,焦距长焦距长.眼镜眼镜校正校正远视远视近视近视3).散光眼散光眼:角膜为椭球面的人眼角膜为椭球面的人眼,横向和纵向聚焦不横向和纵向聚焦不在一个平面上在一个平面上.

8、 椭球有两个对称平面椭球有两个对称平面,分别包含长、短轴分别包含长、短轴,因而具有两个因而具有两个不同的焦距不同的焦距,主轴上的一个物点将成两条像线主轴上的一个物点将成两条像线像散像散.近视度近视度=视度视度100 例：例： L=1m时，近视度时，近视度=100度；度； L=0.5m时，近视度时，近视度=200度；度； 矫正方法矫正方法:戴柱面透镜戴柱面透镜,利用其像散作用与散光眼的像散利用其像散作用与散光眼的像散相抵消相抵消.近近 (远远)视视+散光散光:戴一付一面为球面一面为柱面的透镜戴一付一面为球面一面为柱面的透镜,球面矫正近球面矫正近 (远远)视视,柱面矫正散光柱面矫正散光.解：已知解

9、：已知,2 . 0, mss 例例1.一个远点在一个远点在0.2m的近视眼戴上眼镜后远点可恢复的近视眼戴上眼镜后远点可恢复到无穷远到无穷远,求所戴眼镜的度数求所戴眼镜的度数.52 . 01111 ssf 度度500 远点远点OF P矫正前矫正前OF 远点远点OF P矫正后矫正后解：已知解：已知,25. 1, 25. 0msms 例例2.求一个近点在求一个近点在1.25m的远视眼所戴眼镜的度数的远视眼所戴眼镜的度数.2 . 325. 0125. 11111 ssf 度度320 矫正后矫正后近点近点OF 明视明视距离距离矫正前矫正前OF 明视距离明视距离近点近点OF 明视明视距离距离三三. 人眼的

10、视角人眼的视角 定义定义:被观察物对人眼光心的张角称为人眼的视角被观察物对人眼光心的张角称为人眼的视角.人眼对物体大小的感觉是以该物体在视网膜上所成人眼对物体大小的感觉是以该物体在视网膜上所成的像对光心的张角来衡量的像对光心的张角来衡量.UO-y Ps y-ssysyU 4.2 助视仪器的放大本领助视仪器的放大本领助视仪器助视仪器:帮助人眼帮助人眼(正常、非正常正常、非正常)看清物体看清物体(远、近、远、近、大、小大、小)的光学仪器的光学仪器.一一. 放大本领放大本领 线状物通过助线状物通过助视仪器和眼睛所构视仪器和眼睛所构成的光具组在视网成的光具组在视网膜上形成像的长度膜上形成像的长度为为l

11、;直接通过肉眼直接通过肉眼观察放在助视仪器观察放在助视仪器原来所成虚像平面原来所成虚像平面上的同一物上的同一物,在视在视网膜上所成像的长网膜上所成像的长度为度为l.llM 1.定义定义:UUUUtantan 即像对眼的张角即像对眼的张角U与物体直接对眼的张角与物体直接对眼的张角U之比之比.注意注意:1).必须将物放在同一特定位置比较两像大小必须将物放在同一特定位置比较两像大小;放大镜放大镜和显微镜和显微镜:明视距离明视距离(25cm); 望远镜望远镜:无穷远无穷远.2).近轴条件下近轴条件下M等于两视角等于两视角U和和U之比之比;3).助视仪器的作用是增大人眼的视角助视仪器的作用是增大人眼的视

12、角,改善和扩展视野改善和扩展视野;4).放大本领和角放大率的区别放大本领和角放大率的区别:UUM uu U,U:是对有无助视仪器时的视角是对有无助视仪器时的视角,不是共轭量不是共轭量;u,u:是对一个光具组的出入线的倾角是对一个光具组的出入线的倾角,是一对共轭量是一对共轭量;二二. 放大镜放大镜1.定义定义:帮助人眼看清微小物体及其细节的助视仪器帮助人眼看清微小物体及其细节的助视仪器.作用作用:将被观察物体成一放大虚像将被观察物体成一放大虚像,从而增大其对人眼从而增大其对人眼的视角的视角,并非将物体移近并非将物体移近.2.放大本领放大本领 物体经透镜成一放物体经透镜成一放大虚像的视角为大虚像的

13、视角为:fyfysyU cm25yU 物体置于明视距物体置于明视距离处的视角为离处的视角为: 25fUUM 放大本领放大本领: M 与与f 成反比成反比,由于短焦距透镜的像差大由于短焦距透镜的像差大, M很大的很大的放大镜没有实用价值放大镜没有实用价值,常用放大镜常用放大镜M 3,采用复合透采用复合透镜镜,可使可使M 达到达到20.例例:f =10cm, M=2.5倍倍,记为记为2.5;(f要以要以cm为单位为单位)4.3 目镜目镜 (eyepiece） 放大镜是一种通过直接放大实物达到增大视角的放大镜是一种通过直接放大实物达到增大视角的助视仪器助视仪器,而目镜是一种放大像的助视仪器而目镜是一

14、种放大像的助视仪器.一一.目镜目镜1.定义定义:用于观察其他光学系统所成像的放大镜用于观察其他光学系统所成像的放大镜.性质性质:放大镜由复合透镜组构成的放大光具组放大镜由复合透镜组构成的放大光具组.作用作用:放大其他光具组所成的像放大其他光具组所成的像,从而增大视角从而增大视角. 复杂的助视仪器总是由物镜和目镜组成复杂的助视仪器总是由物镜和目镜组成,靠近物体靠近物体的称物镜的称物镜,靠近人眼的是目镜靠近人眼的是目镜.目镜通过放大物镜所成目镜通过放大物镜所成的像达到增大人眼视角的作用的像达到增大人眼视角的作用.要求要求:1).具有较高的放大本领和较大的视角具有较高的放大本领和较大的视角;2.结构

15、结构:场镜场镜+视镜视镜+(分化板或刻度尺分化板或刻度尺).场镜场镜:面向物体面向物体(即物镜的像即物镜的像)的透镜的透镜(或透镜组或透镜组).2).具有一定的矫正色差和像差的能力具有一定的矫正色差和像差的能力.目镜通常由两个或多个透镜组合而成目镜通常由两个或多个透镜组合而成.视镜视镜:接近人眼的透镜接近人眼的透镜(或透镜组或透镜组).分化板分化板:包含可移动叉丝的透明刻度尺包含可移动叉丝的透明刻度尺,用于提高用于提高测量精度测量精度.二二. 惠更斯目镜（惠更斯目镜（Huygens eyepiece） 1.结构结构:两个同种玻璃的平凸透镜组成两个同种玻璃的平凸透镜组成.2.特点特点:2).场镜

16、的焦距等于视镜焦距的场镜的焦距等于视镜焦距的3倍倍,两者间的距离等于两者间的距离等于视镜焦距的视镜焦距的2倍倍,即即 f1=3f2, d=2f2;3).适当调节物镜和目镜的距离适当调节物镜和目镜的距离,使使Q 恰好落在视镜的恰好落在视镜的物方焦平面上物方焦平面上,使出射光成为平行光使出射光成为平行光;1).场镜和视镜场镜和视镜都是凸面向着都是凸面向着物镜物镜;4).由于场镜的由于场镜的物为虚物物为虚物,该目该目镜无法对物镜镜无法对物镜所成的像进行所成的像进行测量测量;5).分化板应配制在分化板应配制在F2Q处处,用于测量场镜的像的大小用于测量场镜的像的大小.由由于分化板仅对视镜成像于分化板仅对

17、视镜成像,场镜的消像差作用未起作用场镜的消像差作用未起作用,因因而视镜的像差将使分化板的像仅在中央部分清晰而视镜的像差将使分化板的像仅在中央部分清晰,测量测量误差较大误差较大;6).此目镜的视角大此目镜的视角大(可达可达40o)结构紧凑结构紧凑,适用于生物显微镜适用于生物显微镜. 整个目镜的物方焦点在两透镜之间整个目镜的物方焦点在两透镜之间,不能直接观察不能直接观察实际物体实际物体.二二. 冉斯登目镜（冉斯登目镜（Ramsden eyepiece） 1.结构结构:两个同种玻璃的平凸透镜组成两个同种玻璃的平凸透镜组成.2特点特点:1).场镜、场镜、视镜凸面视镜凸面相 向相 向 , 平平面向背面向

18、背;2).场镜、视镜焦距相等场镜、视镜焦距相等,两镜中心间距等于每一透镜两镜中心间距等于每一透镜焦距的焦距的2/3, f1=f2,d=2f1/33).适当调节物镜和目镜的距离适当调节物镜和目镜的距离,使使Q 恰好落在视镜的恰好落在视镜的物方焦平面上物方焦平面上,使出射光成为平行光使出射光成为平行光;4).由于场镜的物为实物由于场镜的物为实物,可用其对物镜所成的像进行测可用其对物镜所成的像进行测量量.分化板应配制在分化板应配制在FQ处处,用于测量场镜的像的大小用于测量场镜的像的大小;由由于分化板同物于分化板同物FQ一样既对场镜也对视镜成像一样既对场镜也对视镜成像,场镜的消场镜的消像差起作用像差起

19、作用;在大范围内清晰成像在大范围内清晰成像,测量精度高测量精度高;5).此目镜可用于观察像此目镜可用于观察像,也可用于观察物也可用于观察物,并可用配备并可用配备的分化板对物镜所成的像进行测量的分化板对物镜所成的像进行测量,适用于测微目镜适用于测微目镜. 两种目镜均能放大像两种目镜均能放大像,增大人的视角增大人的视角,但冉镜可用于但冉镜可用于直接观察实物直接观察实物,配上分化板可对精确测量实物和物镜所配上分化板可对精确测量实物和物镜所成的像的长度成的像的长度.4.4 显微镜显微镜 (Microscopes) 的放大本领的放大本领 能帮助人眼观察微小物体的放大镜称为显微镜能帮助人眼观察微小物体的放

20、大镜称为显微镜. 显微镜与放大镜起相同的作用，但放大镜结构较显微镜与放大镜起相同的作用，但放大镜结构较简单，放大率在简单，放大率在15以下，而显微镜由物镜和目镜两以下，而显微镜由物镜和目镜两组镜头组成组镜头组成,其放大本领可达到其放大本领可达到1000多倍，远大于简单多倍，远大于简单放大镜和目镜放大镜和目镜.一一.显微镜显微镜的结构的结构目镜目镜:焦距焦距fe较长较长; 物镜物镜:焦距焦距f 较短较短 ;物物PQ置于置于物镜的物物镜的物方焦平面方焦平面F1之外附之外附近，经物近，经物镜成放大镜成放大实像实像PQ,再经目镜再经目镜放大，在放大，在明视距离明视距离处成虚像处成虚像P Q. 二二.光

21、路图光路图FoFeLoLe三三. 显微镜的放大本领显微镜的放大本领 物镜将物物镜将物成像在目镜成像在目镜的第一焦点的第一焦点内侧处内侧处 eofff 整个系统的像方焦距为整个系统的像方焦距为: 1.表达式表达式: cmfcmMe25 显微镜作为放大镜的放大本领显微镜作为放大镜的放大本领:25eoff ooooffx 即物镜的放大倍即物镜的放大倍数数, ”-”成倒立的像成倒立的像.2.讨论讨论: cmfcmMee25).2 为保证成尽量大的像为保证成尽量大的像,fo、fe很小很小,光学间隔光学间隔镜筒之长镜筒之长l 2525eoeofflffM 1).由于由于Fo 与与O1 几乎重合几乎重合,

22、l xo为目镜的放大本领为目镜的放大本领. 显微镜的放大本领等于物镜的横向放大率与目镜放显微镜的放大本领等于物镜的横向放大率与目镜放大本领的乘积大本领的乘积.2525).3eoeoeofflffMM 例例:物镜物镜o=40,目镜目镜Me=5,则则M=2004).显微镜也是将物体直接放大显微镜也是将物体直接放大,达到增大视角的目的达到增大视角的目的.5).显微镜将微小物体成放大的像显微镜将微小物体成放大的像,常用于观察近距离常用于观察近距离处肉眼难以看清的细小物体处肉眼难以看清的细小物体.解：目镜常有的倍数为解：目镜常有的倍数为10，15，而物镜有，而物镜有3， 5，10，40，60，100，可

23、选择物镜的倍率，可选择物镜的倍率为为-5，目镜的倍率为，目镜的倍率为105 ss 例例3.试设计一显微镜系统，要求其视角放大率为试设计一显微镜系统，要求其视角放大率为-50， 并要求物镜的物像共轭距为并要求物镜的物像共轭距为180mm.mmss180 mmsmms150,30 mmfo25 ssfo111 mmffMeee25,10250 将两块焦距皆为将两块焦距皆为25mm的透镜，二者间隔为的透镜，二者间隔为175mm，可得到总视角放大率为，可得到总视角放大率为 -50的简单显微镜的简单显微镜.解：人眼直接看这间距为解：人眼直接看这间距为0.001mm两点时，其对人眼两点时，其对人眼的张角为

24、：的张角为：6104250001. 0tan U例例4.试设计一显微镜，间距为试设计一显微镜，间距为0.001mm的两点经这台的两点经这台显微镜所成的像对人眼的张角为显微镜所成的像对人眼的张角为 2. 15045.145104 2tantantan6UUMe可以有两种倍率分配方案：一种取物镜可以有两种倍率分配方案：一种取物镜=-10=-10，目，目镜镜Me=15；另一种取物镜；另一种取物镜=-15，目镜，目镜Me=10.要设计的显微镜的视角放大率应为：要设计的显微镜的视角放大率应为：4.5 望远镜的放大本领望远镜的放大本领 （Amplifying power of telescope）一一.

25、定义定义:帮助人眼观察远处物体的放大镜帮助人眼观察远处物体的放大镜.作用作用:将远物从物空间移至望远镜的像空间将远物从物空间移至望远镜的像空间,从而增大从而增大人的视角人的视角,所以人眼对望远镜的像空间的观察代替了所以人眼对望远镜的像空间的观察代替了对物空间的观察对物空间的观察.性质性质:是一种放大镜是一种放大镜.只是不是将物体直接放大只是不是将物体直接放大,而是而是将远物移近将远物移近,从而增大视角从而增大视角.1.结构结构:物镜系统物镜系统+目镜系统目镜系统2.分类分类:二二. 结构及分类结构及分类1).按物镜种类按物镜种类:反射式望远镜反射式望远镜,物镜为反射镜物镜为反射镜;折射式望远镜

26、折射式望远镜,物镜为透镜物镜为透镜;2).按目镜种类按目镜种类:开普勒望远镜开普勒望远镜:目镜为会聚透镜目镜为会聚透镜;伽利略望远镜伽利略望远镜:目镜为发散透镜目镜为发散透镜;1.结构特点：物镜和目镜均为会聚透镜结构特点：物镜和目镜均为会聚透镜,物镜像方焦物镜像方焦点点F1和目镜的物方焦点和目镜的物方焦点F2重合重合.2.光路原理光路原理:无穷远物无穷远物Q经物镜系统会聚于像方焦平经物镜系统会聚于像方焦平面面(目镜的物方焦平面目镜的物方焦平面)Q处处,再经目镜后成倒立实像再经目镜后成倒立实像Q”于无限远处于无限远处,出射光为平行光出射光为平行光.三三.开普勒望远镜开普勒望远镜（Kepler t

27、elescope） 222 fyfQPQOPUOQPU 3.放大本领放大本领:1111fyfQPQOPQPOU 观察远物观察远物,人眼人眼前后移动距离前后移动距离不大时不大时,U不变不变.即去掉目镜即去掉目镜,将人眼移到将人眼移到P处时处时,视角视角U:最后的像对人眼的视角最后的像对人眼的视角U:2121ffffUUM 放大本领放大本领:注意注意:1).f10,f20, M0,f20,故形成的是正立的虚像故形成的是正立的虚像.2).目镜的物方焦平面在镜筒外目镜的物方焦平面在镜筒外,无法放置分化板无法放置分化板.3).眼睛的位置眼睛的位置O理论上位于在镜筒内理论上位于在镜筒内,实际进入眼睛实际进

28、入眼睛的光束范围因此而受到限制的光束范围因此而受到限制,故视场较小故视场较小.4).镜筒长度镜筒长度L=f1-f2, 筒长较短筒长较短.由于光学间隔为零，给望远镜系统带来显著特点由于光学间隔为零，给望远镜系统带来显著特点: 1.望远镜系统是一个无焦系统，合成焦距无穷大望远镜系统是一个无焦系统，合成焦距无穷大;即入射光出射光均为平行光；即入射光出射光均为平行光；2.整个系统的横向放大倍数是定数，与物体位于何处整个系统的横向放大倍数是定数，与物体位于何处无关，即系统的横向放大率不再是物距的函数无关，即系统的横向放大率不再是物距的函数. 五五.激光扩束器激光扩束器 1.定义定义: 将光束的横截面扩大

29、的光学仪器将光束的横截面扩大的光学仪器. 激光扩束器激光扩束器 : 将激光束的横截面扩大的光学仪器将激光束的横截面扩大的光学仪器. 2.装置装置:倒用的折射式望远镜是很好的激光扩束器倒用的折射式望远镜是很好的激光扩束器. 显微镜的物镜显微镜的物镜(40、100),也可作简单的激光扩束器也可作简单的激光扩束器.六六.反射式望远镜反射式望远镜结构结构:大型天文望远镜的物镜是用孔径大的反射镜大型天文望远镜的物镜是用孔径大的反射镜制成的制成的.特点特点:消色差，校正球差消色差，校正球差.牛顿反射物镜牛顿反射物镜格雷戈里反射物镜格雷戈里反射物镜抛物面抛物面椭球面椭球面抛物面抛物面抛物面抛物面双曲面双曲面

30、卡斯格伦反射物镜卡斯格伦反射物镜施密特反射物镜施密特反射物镜球面镜球面镜校正透镜校正透镜例例5.一伽俐略望远镜一伽俐略望远镜,物镜与目镜相距物镜与目镜相距12cm,若视角放若视角放大率为大率为4,问物镜与目镜的焦距各为多少问物镜与目镜的焦距各为多少?21ffM 解解:4 12422 ffcmfcmf16,412 例例6.设计一架设计一架4倍的望远镜倍的望远镜.已有一块焦距为已有一块焦距为50cm的凸的凸透镜作为物镜透镜作为物镜, 问当制成开普勒型与伽利略型望远镜问当制成开普勒型与伽利略型望远镜时目镜焦距各为多少时目镜焦距各为多少?筒长各为多少筒长各为多少?421 ffM解解:cmf5 .122

31、 开开cml5 .625 .1250 开开cmf5 .122 伽伽cml5 .375 .1250 伽伽4.6 光阑（光阑（stop） 光瞳（光瞳（pupil） 一一.光学成像系统的光阑光学成像系统的光阑1.定义定义:光学系统中凡是对光能量有限制作用的元件光学系统中凡是对光能量有限制作用的元件.如如:透镜的外缘透镜的外缘,开孔开孔(照相机的光圈照相机的光圈),光屏光屏(底片的尺底片的尺寸寸)2.有效光阑有效光阑:光学系统中光学系统中,对整个系统光能量的传播对整个系统光能量的传播范围起决定性作用的那个光阑范围起决定性作用的那个光阑.PP加入光阑加入光阑,光束受到限制光束受到限制改变光阑的位置改变光

32、阑的位置,对光束的限制作用改变对光束的限制作用改变.PPPP对光束起限制作用的是透镜本身对光束起限制作用的是透镜本身.改变光源改变光源P的位置的位置, 透镜透镜对光束的限制作用改变对光束的限制作用改变.对光束起限制作用的是光阑对光束起限制作用的是光阑.PPPP注意注意:有效光阑的确定是以成像物体的确定为前提有效光阑的确定是以成像物体的确定为前提,即即同一系统中同一系统中,当物体的位置不同时当物体的位置不同时,有效光阑可能不同有效光阑可能不同.(1) 保证近轴条件保证近轴条件,改善成像质量改善成像质量(像的清晰度像的清晰度),但不改但不改变像的形状和位置变像的形状和位置;3. 光阑的作用：光阑的

33、作用： (3) 控制成像空间的范围控制成像空间的范围,控制像面大小控制像面大小(2)调节和控制成像光束的立体角调节和控制成像光束的立体角,即光流的大小即光流的大小,调节像调节像的亮度的亮度;立体角小时可加深成像的纵向范围立体角小时可加深成像的纵向范围,控制景深控制景深;4. 光阑的种类光阑的种类:(1) 有效光阑有效光阑:诸挡光孔中诸挡光孔中,最有效的控制成像光束光能最有效的控制成像光束光能量者量者,即控制成像光束的立体角即控制成像光束的立体角,简称孔阑简称孔阑(2)视场光阑视场光阑:诸挡光孔中诸挡光孔中,最有效的控制成像物空间范最有效的控制成像物空间范围者围者,简称场阑简称场阑瞳孔瞳孔人眼瞳

34、孔人眼瞳孔:有效光阑有效光阑,窗窗窗窗:视场光阑视场光阑.物点物点ABAB有效光阑有效光阑视场光阑视场光阑底片底片二二. 光瞳（光瞳（pupil） 有效光阑的作用有效光阑的作用:限制限制轴上物点轴上物点成像光束的孔径角成像光束的孔径角. 注意注意:确定有效光阑首先要明确是对主轴上哪个物点确定有效光阑首先要明确是对主轴上哪个物点的孔阑的孔阑.入射光瞳入射光瞳(入瞳入瞳):有效光阑对前方光学系统所成的像有效光阑对前方光学系统所成的像.出射光瞳出射光瞳(出瞳出瞳):有效光阑对后方光学系统所成的像有效光阑对后方光学系统所成的像.入瞳对轴上物点的张角称入射孔径角入瞳对轴上物点的张角称入射孔径角. .出瞳

35、出瞳对轴上物点的共轭像点的张角对轴上物点的共轭像点的张角称称出射孔径角出射孔径角. .方法方法:将系统中各光阑分别经其前面的光学元件成像将系统中各光阑分别经其前面的光学元件成像于系统的物空间于系统的物空间,其中对轴上物点张角最小的那个像所其中对轴上物点张角最小的那个像所对应的光阑称系统的有效光阑对应的光阑称系统的有效光阑.三三. 有效光阑、入瞳、出瞳的确定方法有效光阑、入瞳、出瞳的确定方法 光阑为孔光阑为孔阑阑,其相对于前其相对于前面的光学元件面的光学元件的像为入瞳的像为入瞳,入入瞳相对瞳相对P点所点所张的角为入射张的角为入射孔径角孔径角.P 孔阑后面无光孔阑后面无光学元件学元件,其对后所其对

36、后所成的像即为其本成的像即为其本身身,即孔阑也为出即孔阑也为出瞳瞳;出瞳相对出瞳相对P的的像点像点P所张的角所张的角为出射孔径角为出射孔径角.P入瞳入瞳有效光阑有效光阑P有效光阑有效光阑入瞳入瞳出瞳出瞳P在这个系统中，有效光阑同时也是出瞳在这个系统中，有效光阑同时也是出瞳有效光阑有效光阑入瞳入瞳-有效光阑对有效光阑对前方系统成的像前方系统成的像入射孔径角入射孔径角出射孔径角出射孔径角uu在这个系统中，有效光阑同时也是入瞳在这个系统中，有效光阑同时也是入瞳有效光阑有效光阑出瞳出瞳-有效光阑对有效光阑对后方系统成的像后方系统成的像uu入射孔径角入射孔径角出射孔径角出射孔径角uu有效光阑有效光阑出瞳

37、出瞳入瞳入瞳？入瞳入瞳出瞳出瞳有效光阑有效光阑共轭共轭共轭共轭入瞳入瞳 ？ 出瞳出瞳入瞳入瞳出瞳出瞳共轭共轭相对整个相对整个光学系统光学系统四四.讨论讨论1.有效光阑在系统的最前面有效光阑在系统的最前面,则有效光阑与入瞳重合则有效光阑与入瞳重合;有效光阑在系统的最前后面有效光阑在系统的最前后面,有效光阑与出瞳重合有效光阑与出瞳重合.2.入瞳、出瞳可能是实像也可能是虚像入瞳、出瞳可能是实像也可能是虚像;3.入瞳并非一定在出瞳的前面入瞳并非一定在出瞳的前面;4. 通过有效光阑中心的光线称为主光线通过有效光阑中心的光线称为主光线,由于共轭性由于共轭性入瞳、出瞳的中心也在主光线上入瞳、出瞳的中心也在主

38、光线上;5.人眼的有效光阑就是瞳孔人眼的有效光阑就是瞳孔;6.有效光阑、入瞳和出瞳均是对给定物点而言的有效光阑、入瞳和出瞳均是对给定物点而言的.五五.视场光阑视场光阑(field stop) 入窗入窗 出窗出窗视场光阑的作用视场光阑的作用:限制成像范围限制成像范围,即限制即限制轴外光束轴外光束.注意注意:确定场阑首先要给出入瞳中心确定场阑首先要给出入瞳中心.方法方法:将系统中各光阑分别经其前面的光学元件成像将系统中各光阑分别经其前面的光学元件成像于系统的物空间于系统的物空间,其中对入瞳中心张角最小的那个像所其中对入瞳中心张角最小的那个像所对应的光阑称系统的场阑对应的光阑称系统的场阑.入窗入窗:

39、场阑对前方光学元件成在系统物空间的像场阑对前方光学元件成在系统物空间的像.出窗出窗:场阑对后方光学元件成在系统像空间的像场阑对后方光学元件成在系统像空间的像.入射窗对入瞳中心的张角称物方视场角入射窗对入瞳中心的张角称物方视场角. .出射窗对出瞳中心出射窗对出瞳中心的的张角称像方视场角张角称像方视场角. . 确定入瞳后确定入瞳后,入瞳相对其他入瞳相对其他像所张角最小像所张角最小者所对应的物者所对应的物为视场光阑为视场光阑.视场光阑对视场光阑对前面光学元前面光学元件的像为入件的像为入窗对后面的窗对后面的光学元件的光学元件的像为出窗像为出窗.PP有效光阑有效光阑入瞳入瞳视场光阑视场光阑入窗入窗出窗出

40、窗 通过入瞳中心、孔径光阑和出瞳中心的光线叫做通过入瞳中心、孔径光阑和出瞳中心的光线叫做主光线主光线.场阑一般放置在物面、像面，或中间像面上场阑一般放置在物面、像面，或中间像面上. .入窗入窗出窗出窗场阑场阑共轭共轭共轭共轭例例1. 相距相距 d=5cm 的两个薄透镜的两个薄透镜 L1和和 L1 ，焦距分别为，焦距分别为 f1= 9cm 和和 f2= 3cm ，直径分别为，直径分别为 D1= 6cm和和 D2= 4cm ， 直径直径 D = 3cm 的圆孔光阑的圆孔光阑 A放在透镜间距放在透镜间距 L2 2cm处，当轴上一物点在处，当轴上一物点在 L1左方左方 12cm 处时，处时，求：求：

41、1）有效光阑；）有效光阑； 2）光瞳的位置和大小）光瞳的位置和大小 .入窗入窗出窗出窗共轭共轭相对整个光学系统相对整个光学系统6cm4cm3cmP12cm2cm3cm解：解：,3 ,92211cmffcmff 已知：已知：先求出先求出各光阑各光阑的的入瞳入瞳位置和大小位置和大小 111fss ss L1：入瞳即为透镜边缘本身：入瞳即为透镜边缘本身 cmDD611 2cmD1=6cmD2= 4cmD=3cmP12cm3cmP点到点到L1入瞳的距离入瞳的距离:cmLPD121 D：入瞳即为对透镜：入瞳即为对透镜L1成的像成的像D cms3 cms5 . 4 23 cmDD5 . 4 cmLPD5 .16 L2：入瞳即为对透镜：入瞳即为对透镜L1成的像成的像D2 cms5 cms25.11 cmDD922 cmLPD25.232 49 2cmD1=6cmD2= 4cmD=3cmP12cm3cmcmDD611 cmLPD121 cmDD5 . 4 cmLPD5 .16 cmDD922 cmLPD25.232 D1=6cmD2= 4cmP12cm3cmD=4.5cm16.5cm23.25cm11122tanPDD