第八、十一节光学仪器光度学

I几何光学2010年秋季本科课程《光学》几何光学的基本定律惠更斯原理及费马原理成像、共轴球面旁轴成像及薄透镜光学仪器及光度学简介*§8光学仪器(1-7参考）光阑投影仪器照相机眼睛放大镜、目镜显微镜望远镜棱镜光谱仪什么是光阑？光具组中对光束起限制作用的带孔屏障，称为光阑。如透镜、反射镜等光学元件的边缘、框架或特别设置的带圆孔的屏障，（1）保证傍轴条件，改善成像质量（像的清晰度），控制景深．（2）控制成像物空间的范围．（3）控制像面的亮度．光阑的作用：nnM•Quuissippr•QAC•

傍轴条件：h2<<s2,s2

和r2或u2,u2

和2<<1光阑的理论基础：瞳孔人眼瞳孔：孔径光阑窗窗：视场光阑物点（1）孔径光阑：对轴上点光源发出光束的入射孔径限制最多的光阑，称为孔径光阑。光阑的种类：（2）视场光阑：对成像的物面范围限制最多的光阑，称为视场光阑。孔径光阑入射光瞳

出射光瞳D2QD1••QD2Lu0u0将系统中所有的光阑通过它左方的光学系统向物方空间成像，其中对轴上物点张角最小者，称为入射光瞳。入射光瞳对应的物，就是孔径光阑。孔径光阑通过右方光学系统向像方空间成的像，称为出射光瞳。入射光瞳对轴上物点的张角，称为入射孔径角；出射光瞳对轴上像点的张角，称为出射孔径角。入射光瞳/孔径光阑出射光瞳入射孔径角出射孔径角D2QD1••QD2LP•注意：孔径光阑与光轴上物点位置有关，欲确定孔阑，必须首先明确是对光轴上哪个物点。物方成像入射光瞳孔径光阑出射光瞳像方成像自学：视场光阑入射窗出射窗（轴外共轭点）§8光学仪器投影仪器照相机眼睛放大镜、目镜显微镜望远镜棱镜光谱仪什么是光阑？光具组中对光束起限制作用的带孔屏障，称为光阑。如透镜、反射镜等光学元件的边缘、框架或特别设置的带圆孔的屏障，（1）保证傍轴条件，改善成像质量（像的清晰度），控制景深．（2）控制成像物空间的范围．（3）控制像面的亮度．光阑的作用：1投影仪器2照相机通过调节镜头与底片之间的距离，使不同距离处的物体成像在底片上。可变光阑1）减小光阑直径，光束变窄，圆斑变小，景深加大！给定焦距f，物距x越小，景深越小！景深：在照相机镜头(或其他成像器)前沿着能够取得清晰图像的成像相机轴线所测定的物体距离范围。景深

2）焦距与物距亦有影响3眼睛通过肌肉压缩晶状体，改变晶状体的曲率（焦距），使不同距离处的物体成像在视网膜上。是物、像方折射率不相等的成像实例，其物方焦距、像方焦距不等，聚焦无穷远，f=17.1mm,f’=22.8mm。视角: 物体在视网膜上成像的大小，正比于它对眼睛所 张开的角度。明视距离：物体越近，视角越大，成像也就越大。但只 有在上眼睛才能比较舒适地工作。规定s0=25cm远点：眼睛肌肉完全松弛时所能看清楚的点；近点：眼睛最紧张时所能看清楚的点。近视眼：远点太近；远视眼（花眼）：近点太远。4放大镜用肉眼观察，物体的最大视角为:经放大后的视角为:放大镜的作用是放大视角，定义视角放大率:(so=25cm)物：焦点附近像：无穷远和明视距离之间5显微镜规定：由光轴转到光线的方向为顺时针是视角w为正，逆时针时视角w为负。（与以前角度符号规定相反）其中，ME目镜的视角放大率，VO为物镜的横向放大率。基本原理图光学筒长6望远镜望远镜的视角放大率M

定义为最后的虚像对目镜所张视角w’与物体在实际位置所张视角w之比。讨论：1.负号表示像倒立2．fo越大，倍数越大7棱镜光谱仪光谱望远物镜分光镜：望远物镜中装有目镜，供眼睛之间观察光谱；摄谱仪：望远物镜的焦平面上放置感光胶片，拍摄光谱；单色仪：望远物镜的焦平面上放置狭缝，分离特定波长。光谱仪器是研究物质微观结构的重要工具！平行光管作业：P.97~98习题1,2,3，4，5,8I几何光学2010年秋季本科课程《光学》几何光学的基本定律惠更斯原理及费马原理成像、共轴球面旁轴成像及薄透镜光学仪器及光度学简介*§11光度学简介*光度学：研究光的强弱的学科

（可见光为整个电磁辐射波谱中一个很窄的波段）辐射度学:研究各种电磁辐射强弱的学科几个基本概念如下：辐射能通量（辐射功率）

单位时间内通过一定接收截面的辐射能，它的单位分别是瓦（W）或千瓦（KW）。 对于非单色辐射，辐射能通量的概念显得太笼统，人们往往更关心能量的频谱分布。总辐射能通量为辐射能通量的谱密度：描述辐射能在频谱中分布光谱响应

研究光或电磁辐射的强度使用的检测器件对不同波长的光或电磁辐射有不同的灵敏度,用其光谱响应来表征。 光谱响应:表示检测器件的输出讯号（通常是电压或电流）的大小与某个波长的入射光功率之比。不同器件的光谱响应差别很大

视见函数光度学中，为了表示人眼对于不同波长辐射的敏感度的差别，定义任一波长的光和波长为555nm光产生同样亮暗感觉所需的辐射能通量之比为视见函数。夜晚白天明亮和昏暗环境中的视见函数不同；适光性视见函数（实线)适暗性视见函数（虚线)

光通量

定义：光源在单位时间内,向周围空间辐射出的使人眼产生光感的能量称为光通量。

表示方法：将辐射通量以视见函数为权重因子折合成对于眼睛的有效数量：:555nm光功当量多色光的总光通量：Km=683lm/W光通量单位：流明（lm）定义：点光源沿某方向上的单位立体角内发出的光通量单位：1坎德拉(cd)=1流明/1球面度发光强度亮度

定义：面光源沿某方向上的单位投影面积的发光强度，即在某方向上从单位投影面积在单位立体角内发出的光通量。单位：1熙提（sd）=1流明/厘米2球面度(lm/cm2sr)电灯发光强度分布扩展光源的发光强度与cosθ成正比，从而其亮度与方向无关，这类发射体称为余弦发射体或朗伯发光体朗伯定律：按照cosθ规律发射光通量的规律余弦发射体（朗伯体）定向发射体： 发射体所发出的光束集中在一定立体角内，即亮度有一定的方向性。激光器发出的光束通常是截面很小的高度平行光照度定义：照射在单位面积上的光通量。单位：1勒克斯（lux）=1流明/1米2点光源的照度：面光源的照度：作业：P.132习题1,2“几何光学”复习几何光学三定律惠更斯原理费马原理成像及共轴球面组傍轴成像薄透镜成像光学仪器/光度学基本概念几何光学基本定律:1、光线的概念：数学概念，表示光的传播方向。光线与窄光束的区别。2、光的直线传播定律：光在同一种均匀媒质中沿直线传播。3、光的反射定律：入射线/反射线、入射角/反射角4、光的折射定律： 相对和绝对折射率、全反射的条件及应用、(棱镜、光纤)5、色散的概念和应用：棱镜、棱镜最小偏向角及其应用6、光的可逆性原理:当光线的方向返转时，它将逆着同一路径传播。注： 光的独立传播定律——两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单的相加。

基于光线传播的基本定律，可以计出光线在光学系统中的传播路径，计算过程称为光线追迹，是设计光学系统时必须进行的工作。“几何光学”要点惠更斯原理:1、波面：位相相同的点的轨迹称波面。 点光源发出的光在各向同性介质中传播的波面球面，波的传播方向与波面垂直;平面波的波面是平面（无穷远处的球面波）2、惠更斯原理的出发点及内容： 从波动的角度对几何光学物理实质的解释、次波及包络面等的概念3、惠更斯原理的应用： 从次波的角度对几何光学基本定律（直线传播、反射、折射定律）的解释费马原理：1、“光程”的概念：媒质&真空 “实际光程”：光在各种媒质中，经过光学器件或系统所走的路程。2、费马原理的出发点和内容：理解：光在指定的两点间传播，实际光程总是一个极值。

3、费马原理的应用：光程为极值的含义 从光程的角度对几何光学基本定律的解释4、反射光束、折射光束的等光程性：如何符合费马原理的极值要求“几何光学”要点成像、共轴球面组傍轴成像、薄透镜成像1、成像的有关概念：

同心光束、光具组、共轴光具组、物点、像点、实像、虚像、实物、虚物、物空间、像空间、（物/像）焦点、（物/像）焦距、（物/像）焦面、共轭点、理想成像、近似成像等2、物像之间的等光程性——费马原理的重要推论3、单球面成像公式：推导依据——基本定律（尤其是反射、折射）及费马原理

傍轴条件：单折射球面傍轴条件下轴上点物像距公式:反射球面傍轴条件下轴上点物像距公式:傍轴物点成像：横向放大率(折射球面)反射球面：“几何光学”要点薄透镜成像的高斯公式：薄透镜成像的牛顿公式：密接薄透镜组的物象公式：光焦度的定义：眼镜度数=100x屈光度4、薄透镜物像距公式:“几何光学”要点(I)物点Q在顶点A的左方（实物），s>0

Q在顶点A的右方（虚物），s<0(II)像点Q’在顶点A的右方（实像），s’>0

Q’在顶点A的左方（虚像），s’<0(III)球心C在顶点A的右方，半径r>0

球心C在顶点A的左方，半径r<0(IV)点Q’在顶点A的左方（实像），s’>0

点Q’在顶点A的右方（虚像），s’<0;(V)从光轴转到光线的方向为逆时针时，角u>0;

顺时针时，角u’<0。

(VI)傍轴成像，点在光轴上方，y（y’）>0;在光轴下方，y（y’）<0(VII）物点Q在焦点F的左方，x>0;Q在F的右方，x<0; 像点Q’在F’的右方，x’>0;Q’在F’的左方，x’<0。注：光路图中，所有数值都以正值显示。成像公式中有关符号的规定：“几何光学”要点成像公式中有关符号的规定：(续）QA1Q’Pnn’s1u-u'P’P’’P’’’Q’’’Q’’-u'u’’u’’-u’’’A2A3n’’n’’’s1’s2s2’s3s3’S1S2S3y-y’y’’-y’’’F’FQOQ’ss’fxx’f’凸透镜FF’QOQ’s-s’x-fx’-f’凹透镜光在多个球面上的折射“几何光学”要点证:Q点成像于Q’点，对于任一反射点A，Q、Q’间的光程为：根据费马原理，B在傍轴条件下，，，在QAB和QAB中，在AOB中，-rChQQ’mpass’AOBP57习题10：根据费马原理推导傍轴条件下球面反射成像公式(5-19)同样，可推导P57习题11：根据费马原理推导傍轴条件下球面折射射成像公式QAHCQ’MpP’nn’ss’uu'ii’fra注意：折射