12應(yīng)用光學(xué)課件主講老師劉向東

1、，向東，鄭臻榮物幾生量理何理子光光光光學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)質(zhì)象典光幾像型學(xué)何差光系光理學(xué)統(tǒng)學(xué)論系設(shè)統(tǒng)計(jì)- ，向東，鄭臻榮物幾生量理何理子光光光光學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)質(zhì)象典光幾像型學(xué)何差光系光理學(xué)統(tǒng)學(xué)論系設(shè)統(tǒng)計(jì)- - 產(chǎn)生缺陷有誤( 眼睛2) 3) 4) 攝影系統(tǒng)5) 放映系統(tǒng)有萬(wàn)能的光學(xué)系光學(xué)？- 件習(xí)題：一次 / 件習(xí)題：一次 / 1. 2. - - 既無(wú)大小又無(wú)體積但能輻射能量的幾何點(diǎn)。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，把一個(gè)物體看成由許多物點(diǎn)組成，把這些物點(diǎn)都看成幾何點(diǎn)( 發(fā)光) 。把不論多大的物體均看作許多。光光束 - - 的。( 忽略衍射現(xiàn)。( 忽略衍射現(xiàn)( 忽現(xiàn)象：nn ( 令 CO 為入射光線，則 OA 為反射光線（反

2、射定律 令 BO 為入射光線，則 nn ( 令 CO 為入射光線，則 OA 為反射光線（反射定律 令 BO 為入射光線，則 OA 為折射光線（折射定律1 -3 全反射 90度的入射角稱(chēng)臨界角n2n1,IIm 時(shí)全反射, 用于像和傳1 -4 矢量形式的折射定律和反射定律返回本中的空( ) 和或當(dāng)與于是得矢量形式的折射定律在矢量形式的反射定律： -和或當(dāng)與于是得矢量形式的折射定律在矢量形式的反射定律： -光光程 - 光線在介質(zhì)的距離與該介質(zhì)折射率的乘積 返回本章要得圖中A到B，所走的路徑不是直線，A到B費(fèi)馬原理：光程定律) 返回本章要到另一個(gè)點(diǎn)是( 極大、極小、常) ，所走的路徑不是直線，A到B費(fèi)

3、馬原理：光程定律) 返回本章要到另一個(gè)點(diǎn)是( 極大、極小、常) 1-6 成像概念和完善成像條光軸 對(duì)于一個(gè)球面，光軸是通過(guò)球心的直線 返回本章要對(duì)于一個(gè)透鏡，光軸為兩個(gè)球心的連線返回本章要頂點(diǎn) 光軸與球面的交點(diǎn) 返回本共軸光學(xué)系統(tǒng) 所有的球心都在一條直線上 返回本章要非共軸光學(xué)系統(tǒng) 所有的球心不全在一條直線上 返回本A到B經(jīng)界面一次反射的最短由對(duì)SMP面，光程為極小值一個(gè)球面有無(wú)數(shù) 一個(gè)透鏡有一一個(gè)球面有無(wú)數(shù) 一個(gè)透鏡有一光軸實(shí)物(像)點(diǎn) 實(shí)際光線的交點(diǎn)(屏上可接收到) 虛物(像) 光線的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)(, 人眼可感受) 物(像) 物(像)所在的空間 返回本章要點(diǎn)實(shí)物(像)空間 實(shí)物(像)可能存

4、在的空間 返回本章要點(diǎn)虛物(像) 虛物(像)可能存在的空間 完善成像條件 - 等光程條件 ) AAA設(shè), 面和球面系設(shè), 面和球面系8. 反射面：n =-8. 反射面：n =-n折反系概子午平包含光軸截距：物方截距物方光線與光軸的交點(diǎn)到頂點(diǎn)的距傾斜角：物方傾斜角物方光線與光軸a.2-22-b.線段：沿軸線段L,L,r) 以頂點(diǎn)O右垂軸線段b.線段：沿軸線段L,L,r) 以頂點(diǎn)O右垂軸線段h) 以光軸為準(zhǔn)，上下間隔d(O1O2) 以前一個(gè)面為基準(zhǔn)，左右c.( U,U以光軸為起始邊，以銳角方向轉(zhuǎn)到光線，順時(shí)針光線與法線組成角度I,I以光線為起始邊，以銳角方向轉(zhuǎn)到法線，順逆光軸與法線組成角度( 以光

5、軸為起始邊，以銳角方向轉(zhuǎn)到法線，順逆已知rnn,L, 求L, 2-3折射球返回本章要L UU 的光線L UU 的光線.1 近軸光線：與光軸很靠近的光線，即-U sin(-UU sin(-U)=- 2對(duì)近軸光，已知入射光線求折射球面的出射光線：即由lulu , u 改變時(shí)l 不變點(diǎn)，完善成A A 互為物像，稱(chēng)共軛點(diǎn) 可見(jiàn)，當(dāng)（ n-n )/r 一定時(shí)， l 僅與l 點(diǎn) 可見(jiàn)，當(dāng)（ n-n )/r 一定時(shí)， l 僅與l n 、nr 一定，則 l l 表征折射面偏折光線一定，但L 變化時(shí)L 也會(huì)變當(dāng)時(shí)距當(dāng)時(shí)稱(chēng)距點(diǎn) 用用1平面以細(xì)小光細(xì)光束， AA 同心球面A1AA2 曲A1AA2 完善成由公式l 變

6、小， l 也變小，平面B1AB2曲面，平面物 。 軸向（沿軸）軸向（沿軸）角度放大率 返回本章要：n,nl不同，則l一定(l一定)時(shí)，為常量像 、由得 反射是折射n=-n2-4反射球面球面返回本章要n=n f =f 且與 凹面鏡凸面鏡f0 為虛焦點(diǎn)n=n f =f 且與 凹面鏡凸面鏡f0 為虛焦點(diǎn)已知1半2表面頂點(diǎn)的間d1, 253n1n2nk一、由入射光線求出射光線對(duì)一個(gè)面的操作 過(guò)渡公3n1n2nk一、由入射光線求出射光線對(duì)一個(gè)面的操作 過(guò)渡公且有( 整個(gè)系統(tǒng)的J表征了這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能，即能以多高的物、多大孔徑角的光線入射成像。J 值大，表明系統(tǒng)能對(duì)所以J 反射棱折射棱日常使用的鏡子就是

7、平面鏡 返回本章要平面鏡的鏡由n=-時(shí)得3-1 ： 平： 平若入射光線不動(dòng)平面鏡偏轉(zhuǎn) 角，則反射2角 ( 因?yàn)槿肷浣桥c反射角同時(shí)變化 了角 3-1 雙平面返回本章要 =0 =0 入射光線與出射光線的夾角 返回本章要夾 3-3 平行平返回本章要，該式中無(wú)u ，A 以實(shí)際光線（U 有一定大?。﹗ 反射棱鏡的工作面 反射棱鏡的棱 工作面的交反射棱鏡的主截面 垂直于棱的截 棱轉(zhuǎn) 90 3-4 反射棱鏡 90180 6045光軸平棱鏡的展開(kāi)與結(jié)構(gòu)常數(shù) 反射棱鏡可以展開(kāi)成平行平板，它在棱鏡的展開(kāi)與結(jié)構(gòu)常數(shù) 反射棱鏡可以展開(kāi)成平行平板，它在光- 光軸在棱鏡中的長(zhǎng)度( 一般即為等效平板的厚) 與通光口徑之結(jié)構(gòu)

8、常數(shù)結(jié)構(gòu)常數(shù)斜方棱鏡達(dá)夫棱鏡K 五角棱鏡 2. 由物坐標(biāo)求像坐標(biāo) z y 3. 棱鏡組合系統(tǒng)（用來(lái)倒像） 角錐棱鏡 返回本章要180 度。可以用角錐棱鏡 返回本章要180 度?？梢杂?j令，與 反向平行反射棱鏡 利用表面的反射作用 折射棱鏡 利用表面的折射作 3-5 折射棱鏡 入射面與出 偏向角 由得對(duì)于給定n, 一定，僅I1變，是I1 的函數(shù) 入射面與出 偏向角 由得對(duì)于給定n, 一定，僅I1變，是I1 的函數(shù)由,由得又所令所即比只時(shí)此折射角很小很小， 0 ，棱鏡平板，所得。折射角很小很小， 0 ，棱鏡平板，所得。一般轉(zhuǎn)過(guò) 光的色散 返回本章要 3-6 光學(xué)材料 返回本章要光學(xué)材料 返回本章

9、要1 、光學(xué)玻璃的技術(shù)參人眼最靈敏波長(zhǎng)是555nm ，兩是C光，F(xiàn)光常相對(duì)色部分色n 和例如K9 玻璃n1.5163, =64.1 一般玻n1.4 2 、光K 冕牌玻璃征n QKKPK BaK ZK LaK F 征n 小KFQF BaFF ZF ZBaFLaFTF ZLaF 符顏紅黃綠青藍(lán)紫768.2 589.3 元 15. /k/548/course/chp4.html - 光學(xué)系統(tǒng)焦距的測(cè)定# 15. /k/548/course/chp4.html - 光學(xué)系統(tǒng)焦距的測(cè)定# 以寬光束（孔徑善點(diǎn)直4 -1 返回本章要點(diǎn)方無(wú)窮遠(yuǎn)F: 點(diǎn)軸上物點(diǎn) 方無(wú)窮遠(yuǎn)F: 點(diǎn)軸上物點(diǎn) 點(diǎn)AF 的垂軸平面（物

10、注意：這里F 與 F不為共軛點(diǎn)，A 與A也不為共軛點(diǎn)二、主點(diǎn) H，H和主平面 返回本章要點(diǎn)延長(zhǎng) TE1，F(xiàn)S1 交于延長(zhǎng) SkR，EkF交于Q點(diǎn)HQHQ共軛,1，物、面是一對(duì)=1 的物像共4 -2 像物HH，F(xiàn)F 四點(diǎn)稱(chēng)為光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)像物HH，F(xiàn)F 四點(diǎn)稱(chēng)為光學(xué)系統(tǒng)的基點(diǎn)由全得同理 一、理想光學(xué)系統(tǒng)的物像位置關(guān)系和橫向放大率1. F，F(xiàn)為原牛頓公式 - 高斯公式2. H，H此當(dāng) nn 高斯公式2. H，H此當(dāng) nn 與 l，l有關(guān)。當(dāng)l一定時(shí)，y的大小無(wú)二、理想光學(xué)系統(tǒng)兩焦距的關(guān)系和拉氏公式由即并代入之結(jié)n=n,ff如空氣中折射系k 個(gè)反射面,n=-n, f f,三、光束的會(huì)聚度和系統(tǒng)的光焦

11、度返回本章要點(diǎn)V （-）V （+）表示光束會(huì)V （-）V （+）表示光束會(huì)四、軸向放大率、角度放大率及其與橫向放大率的關(guān)系1. 軸向放大率由xx=ff時(shí)物像不再相似2. 角放大率像方、物方傾斜角的正切之比 返回本章要點(diǎn)若 對(duì)薄透鏡，幾個(gè)特殊位置的、2. 2的焦距的倒數(shù)。 眼鏡的度數(shù)=屈光度數(shù)100 返回本章要點(diǎn)3. 物與H合3. 物與H合 依4 -4 一、兩個(gè)光組的組1. 圖解一、兩個(gè)光組的組1. 圖解組2. 3. f,f,H,H,F,F則解4 -5 返回本章要點(diǎn)則一般光組在空氣中，有f =-f,則一般光組在空氣中，有f =-f, 當(dāng)當(dāng)當(dāng) 即1. 正切計(jì)算法u1=0h12. 返回本章要點(diǎn)由令即

12、1. 正切計(jì)算法u1=0h12. 返回本章要點(diǎn)由令后算出 d=0, 兩個(gè)例子d=0, 兩個(gè)例子返回本章要點(diǎn)F,寫(xiě)F,寫(xiě)平行光管 - 由點(diǎn)與第二光組的點(diǎn)重合返回本要點(diǎn)一、放大率 由點(diǎn)與第二光組的點(diǎn)重合返回本要點(diǎn)一、放大率 、由得且仍二、視覺(jué)放大率 返回本章要點(diǎn)物鏡焦目鏡焦f10,f2可正可負(fù)時(shí)f10,f2可正可負(fù)時(shí)定，則，為定值，與物距l(xiāng) 無(wú)望遠(yuǎn)鏡與眼睛組合，相當(dāng)于把眼睛的焦距擴(kuò)大到球面透鏡( 主要考慮工藝過(guò))，非球面透鏡( 提高像質(zhì)、簡(jiǎn)化結(jié)雙平月雙平月 -在考慮高斯總是時(shí)令d-0 返回本章要點(diǎn)二、薄透鏡 返回本章要點(diǎn)在考慮高斯總是時(shí)令d-0 返回本章要點(diǎn)二、薄透鏡 返回本章要點(diǎn)按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)點(diǎn)dt

13、m ( 雙凸、平凸、月凸dtm ( 雙凹、平凹、月凹1. 當(dāng)d|r| 1. 當(dāng)d|r| 當(dāng)此不管d 怎么變，f0 恒成2. 3. f 0d4. f 0d4. 平凸、平凹薄透鏡+ 有限焦距系統(tǒng)+ 但使d 但使度與 透鏡的大小限制A點(diǎn)發(fā)出的成像光5-1 5-2 徑光闌，該光孔“像”稱(chēng)入射光瞳，這個(gè)張角稱(chēng)物方孔徑角 2U?？诪榭讖焦怅@，該光孔“像”稱(chēng)出射光瞳，這個(gè)張角稱(chēng)像方孔徑角 2U。徑光闌，該光孔“像”稱(chēng)入射光瞳，這個(gè)張角稱(chēng)物方孔徑角 2U?？诪榭讖焦怅@，該光孔“像”稱(chēng)出射光瞳，這個(gè)張角稱(chēng)像方孔徑角 2U。返回本章要視場(chǎng)光闌、入射窗、出射窗： 5-3 2W的大漸暈光闌 通常用漸暈系數(shù)表示漸暈嚴(yán)重

14、的程度： 通常用漸暈系數(shù)表示漸暈嚴(yán)重的程度： 想想認(rèn)為從B1到 5-4 光學(xué)系統(tǒng)的景深 由得考慮到對(duì)Z1和Z2又，得由得考慮到對(duì)Z1和Z2又，得想50mm，入瞳直徑12.5mm，要求彌散斑當(dāng)時(shí)此當(dāng)時(shí)有AB成像測(cè)AB的長(zhǎng)度，精確調(diào)焦可以精確測(cè)量。但如調(diào)焦調(diào)，如調(diào)焦于A1B1，在分劃板得彌散斑。量得的長(zhǎng)度hAB略長(zhǎng)。反AB 前，測(cè)得的長(zhǎng)度略短。些，彌散斑的中心不變，量得h 3-5 遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng) 知一、輻射量時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的全部輻射能線6 -1 返回本章要點(diǎn)即則人眼對(duì)=555nm 即則人眼對(duì)=555nm 得由角d內(nèi)發(fā)出的光通量d，則其發(fā)光 - 白熾燈 瑩光燈 任何輻射能 都只能接收某一光譜范圍內(nèi)

15、的能量，即對(duì)不同光譜范圍有不同的靈敏度。如人眼，=400760nm為可見(jiàn)角坎德拉 （是光度學(xué)的基）角坎德拉 （是光度學(xué)的基）因所1. IE ：2.R E 3.與方向有關(guān)，當(dāng)i =0 即垂直照明時(shí)E 最大4.E 給出比例系數(shù) 給出比例系數(shù) i方某些光源，L不隨方向變，此時(shí) 發(fā)光的面dS1, 接受光通量的面積dS2, 得元光dS2發(fā)6 -3 ：尼特1 平方米的發(fā)光表面在法線方向的發(fā)光強(qiáng)度1 cd時(shí)的亮度為1nt。忽略散射、吸收損失且忽略散射、吸收損失且反射時(shí) i”=i因此 則這里是反射率。當(dāng)入射角不大得且膠合面nn差不多，可反射損膠合面nn差不多，可反射損能損吸收損，剩下。dcm, 11=0.01

16、，空氣中6 -4 光學(xué)系統(tǒng)光能損失的計(jì)算返回本章要點(diǎn)1.進(jìn)入系統(tǒng)的光通量（L 相同dS, 在u方向 為 1.進(jìn)入系統(tǒng)的光通量（L 相同dS, 在u方向 為 得：6 -5 返回本章要點(diǎn) 因所得眼眼攝影系眼攝影系7-1 和，為 眼散斜焦 近點(diǎn)距p 遠(yuǎn)點(diǎn)距r -0-0-07-0-0-。 度。眼睛的最靈敏波長(zhǎng)555納米，當(dāng)入于 ，注視A 時(shí)，成像a1 和a2,這時(shí)B成像為b1和b2，產(chǎn)生雙Cc1和c2，也產(chǎn)生雙D成像d1d2，產(chǎn)生單3010想想，擴(kuò)大到原來(lái)的K 體視閾倍切之比AB在F后很近處，人眼瞳孔在F或其附近 7-2 放大返回本章要體視銳體視閾僅被f放大鏡的光束限制 僅被f放大鏡的光束限制 若以5

17、0% 時(shí)的線視場(chǎng)為2y，7-3 位。面位。面a. 物鏡物鏡共軛距不變b. 物鏡像面即目鏡前焦面不動(dòng)10mm 構(gòu)1. 孔徑光2.出瞳1. 孔徑光2.出瞳3.數(shù)值孔因?yàn)槌鐾c整個(gè)系統(tǒng)的面重合，設(shè)像方孔徑角即件故因其即徑5.,為眼睛的極限分辨角要利得到于出瞳與系統(tǒng)的1. ,為眼睛的極限分辨角要利得到于出瞳與系統(tǒng)的1. ，其中D為出瞳直徑件得：數(shù)值孔徑大要求n得：數(shù)值孔徑大要求n大和U大，而U總是小于90度的，2. 顯微鏡的有效放大率 想。人眼最小分辨角取24分，則眼睛最小分辨距應(yīng) 1500由于顯微鏡要求分辨率高，則數(shù)值孔徑A大，放大率M要與之相適應(yīng)，因而物鏡的放大率也要相應(yīng)匹100.25 物200.

18、4物400.65600.8物1001.3500.6折反射UV 由10101.臨界照明 由于被光源均勻照明的J1 由于被光源均勻照明的J1 筒得7-4 。想。想光通量設(shè)點(diǎn)光源發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)，亮度取決于網(wǎng)膜上的照度,于所亮度取決于網(wǎng)膜上的照度,于所所于 S S ,其中 為遠(yuǎn)點(diǎn)距。 。O1與P共軛故根得外形尺寸計(jì)算舉例某放大倍率為24 由得由得外形尺寸計(jì)算舉例某放大倍率為24 由得由得出瞳得設(shè)調(diào)節(jié) 5屈度焦遠(yuǎn)近7-5 攝影系統(tǒng)中的光束限制 F數(shù)通常2 2.8 4 5.6 攝影系統(tǒng)中的光束限制 F數(shù)通常2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 量定1. 攝影光學(xué)系統(tǒng)的，。555nm波長(zhǎng)想 頭 頭 系像

19、面照所于其W很小，要使像面照度均勻，必須使各視場(chǎng)的S相同任意安置時(shí)，光源成像于C1A1B1為A2B2C2，A2 的成像光束為A2PQ任意安置時(shí)，光源成像于C1A1B1為A2B2C2，A2 的成像光束為A2PQ，C2 的成像光束為所以C2比A2照度低和此由所可對(duì)照明系統(tǒng)的要求 即寬銀幕鏡頭 返向 差概論球6. 平行平板的球8-1 引言 垂軸球斑垂軸球斑顯然，球差是半孔徑角U或光線入射高度h的函數(shù)。將其按級(jí)數(shù)展開(kāi)，并且考慮到它的軸對(duì)稱(chēng)或差或或很小，僅有初級(jí)量，稱(chēng)Seidel區(qū)，只需要計(jì)算一條邊光即可確定公式中的系數(shù)或當(dāng)當(dāng)球差曲線 令下列結(jié)論： 返回令下列結(jié)論： 返回本（此，式這形狀形狀其中A 可2

20、. 微小間隔的雙分離透鏡，當(dāng)，前光線：想設(shè)軸上物點(diǎn)AA能以任意寬光束完善成像，則垂軸方向的近軸軸外點(diǎn)前光線：想設(shè)軸上物點(diǎn)AA能以任意寬光束完善成像，則垂軸方向的近軸軸外點(diǎn),也可寫(xiě)。等暈成像和等暈條件 稱(chēng)等暈成像，需要滿(mǎn)足的條件稱(chēng)等暈條件 8-2 正弦條件和等暈條返回本章要當(dāng)球差為零時(shí)，等暈條件化為正弦條件當(dāng)球差為零時(shí)，等暈條件化為正弦條件 8-3 軸外像返回本章要差差不同孔徑U有不同的彗差，不同視場(chǎng)W 有不同的彗差，所以彗差和孔徑、視場(chǎng)都有關(guān)曲計(jì)算一條主光線，即可按下式計(jì)算并畫(huà)出像散與像面彎曲曲線： 本圖形GA 想 GA本圖形 。所其時(shí)，仍 。所其時(shí)，仍這， 初級(jí)彗初級(jí)畸由由中實(shí)若則 8-4

21、色返回本章要0.7帶光消色差，則設(shè)本圖形GA想：在消色差環(huán)帶，F(xiàn) 光與C光像點(diǎn)重合，它們能否與d光像點(diǎn)重合？為什么位置色差與球差的比較： 返回本章要倍率色差 ，F(xiàn) 光和C光與高當(dāng)時(shí)其?？僧?dāng)時(shí)其。可想，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，可見(jiàn)為零時(shí)，必有h=0, 當(dāng)色差的校正 可與想對(duì)于有一定間隔d的分離透鏡系統(tǒng)，方程應(yīng)變其想對(duì)于有一定間隔d的分離透鏡系統(tǒng)，方程應(yīng)變其初級(jí)色差與孔徑、視場(chǎng)的關(guān)系 可可軸上點(diǎn)A以單色光成,AM存在球一、軸上點(diǎn)的波像差及其與球差的關(guān)系返回本章要點(diǎn)，2. 當(dāng)有初級(jí)和二級(jí)球差當(dāng)， 球差相當(dāng)?shù)牟ㄏ癫顬橐評(píng)2為縱坐標(biāo)，以L為橫坐標(biāo)的球差曲 10-1 ，3. 二、軸外點(diǎn)的波像差及其與垂軸像差的關(guān)系返回本章要點(diǎn)波差W應(yīng)表示成與這兩個(gè)曲線對(duì)sinU軸所圍的面積表征波像差的大小。參考點(diǎn)為高斯像點(diǎn)離線 曲線對(duì)sinU軸所圍的面積表征波像差的大小。