光學(xué)第二章課件

光學(xué)第二章課件第二章光闌、像差和成像光學(xué)儀器2.1光闌

系統(tǒng)中的一些固定或可變的帶孔屏障或光學(xué)元件的邊緣——光闌光闌（或其像）對(duì)入射光束的限制光闌的像（或光闌）對(duì)共軛出射光束的限制光闌孔徑光闌視場(chǎng)光闌孔徑光闌

A.S.的作用：限制成像光束口徑控制到達(dá)像面的光能視場(chǎng)光闌

F.S.的作用：限制物面上能成像的范圍限制視場(chǎng)的大小一.孔徑光闌和視場(chǎng)光闌二.光闌限制的共軛原理D’DPD’DP’MN∑N’M’結(jié)論：光闌（或其像）對(duì)入射光束的限制與光闌的像（或光闌）對(duì)其共軛出射光束的限制，兩者完全等價(jià)如果任意入射線(xiàn)PM與D’D’的邊框部分相交，其共軛出射線(xiàn)必被DD阻擋；同理，另一入射線(xiàn)PN能“通過(guò)”D’D’，其共軛出射線(xiàn)必能通過(guò)DD

三.孔徑光闌的確定方法入瞳和出瞳確定系統(tǒng)孔徑光闌的方法:將系統(tǒng)中各光闌分別經(jīng)其前面的光學(xué)元件成像于系統(tǒng)的物空間,其中對(duì)軸上點(diǎn)張角最小的那個(gè)像所對(duì)應(yīng)的光闌即為孔徑光闌A.S.孔徑光闌

與軸上物點(diǎn)位置有關(guān),具有限制軸上物點(diǎn)的成像光束孔徑角的作用。入瞳—孔徑光闌通過(guò)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像(En.P.)

決定進(jìn)入系統(tǒng)光束的大小,如D’D’入射孔徑角—由軸上物點(diǎn)對(duì)入瞳半徑的張角出瞳—孔徑光闌通過(guò)它后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像(Ex.P.)

決定從系統(tǒng)出射光束的大小，如DD出射孔徑角—出瞳半徑對(duì)軸上物點(diǎn)的共軛點(diǎn)所形成的張角注意：入瞳、孔徑光闌、出瞳三者相互共軛主光線(xiàn)（chiefray）—

通過(guò)物點(diǎn)和入瞳中心的光線(xiàn)軸上物點(diǎn)的主光線(xiàn)為光軸邊緣光線(xiàn)

(marginelray)—通過(guò)物點(diǎn)和入瞳邊緣的光線(xiàn)邊緣光線(xiàn)必通過(guò)孔徑光闌和出瞳邊緣四.視場(chǎng)光闌的確定方法入窗和出窗物

PQ上Q1點(diǎn)以上的主光線(xiàn)都被透鏡邊緣擋住而不能通過(guò)系統(tǒng)—透鏡邊緣的邊框限制著通過(guò)系統(tǒng)的主光線(xiàn)—限制著物面上的成像范圍視場(chǎng)光闌將系統(tǒng)中各光闌逐個(gè)地對(duì)其前面光學(xué)系統(tǒng)成像，求出系統(tǒng)的入瞳。將所有這些像對(duì)入瞳中心張角，其中最小張角者所對(duì)應(yīng)的光闌即系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌.入窗—視場(chǎng)光闌經(jīng)前面光學(xué)系統(tǒng)的像---限制物方視場(chǎng)的大小出窗—視場(chǎng)光闌經(jīng)后面光學(xué)系統(tǒng)的像---限制像方視場(chǎng)的大小注意：視場(chǎng)光闌、入窗、出窗共軛確定方法并不是所有視場(chǎng)以外各點(diǎn)的光線(xiàn)都被視場(chǎng)光闌擋住而不能進(jìn)入系統(tǒng)參加成像，QQ1上的各點(diǎn)仍有部分光線(xiàn)進(jìn)入系統(tǒng)，不過(guò)物點(diǎn)離軸越遠(yuǎn)，形成的像點(diǎn)越暗—這種現(xiàn)象稱(chēng)為漸暈。通常規(guī)定其主光線(xiàn)能進(jìn)入系統(tǒng)的物點(diǎn)為視場(chǎng)的邊緣點(diǎn)物方視場(chǎng)—能進(jìn)入系統(tǒng)的主光線(xiàn)相應(yīng)的物點(diǎn)在物面上的范圍（PQ1）像方視場(chǎng)—物方視場(chǎng)的共軛像點(diǎn)在像面上的范圍（P’Q’1）物方視場(chǎng)角像方視場(chǎng)角三.光闌與景深三維物體成像在一個(gè)像面上的清晰度問(wèn)題----用光闌對(duì)成像光束的口徑加以限制如果在O點(diǎn)前后一段距離內(nèi)，物體上各點(diǎn)在屏上生成的像都可以認(rèn)為是清晰的，則物空間內(nèi)這一段距離—景深像空間內(nèi)相應(yīng)的距離---焦深光束越細(xì)—景深越長(zhǎng)光闌越大—景深越短例

兩個(gè)薄透鏡L1、L2的孔徑為，L1為凹透鏡L2為凸透鏡，它們的焦距分別為8cm和6cm，鏡間距離為3cm，光線(xiàn)平行于光軸入射。求系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳及視場(chǎng)光闌。解：首先將L1和L2分別對(duì)其前面光學(xué)系統(tǒng)成像，L1對(duì)其前面光學(xué)系統(tǒng)的像就是他本身，而L2經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)即L1所成的像，L1的右側(cè)出高cm的縮小虛象L’2平行光入射,L’2小于L1,

L2既是孔徑光闌又是出瞳L’2為入瞳;L1對(duì)L’2的中心張角比L’2對(duì)自身中心的張角小L1為視場(chǎng)光闌2.2像差實(shí)際成像理想成像像差：幾何像差復(fù)色光形成像差—色差單色光形成像差—單色像差：球差、彗差、像散、像場(chǎng)彎曲、畸變波像差波面發(fā)生變化實(shí)際波面理想波面非近軸成像一.單色像差1.球差軸上物點(diǎn)發(fā)出的寬光束經(jīng)薄透鏡后不再交于一點(diǎn)，無(wú)論觀(guān)察屏在何處都將出現(xiàn)彌散斑的現(xiàn)象度量球差大小會(huì)聚透鏡發(fā)散透鏡減小球差的辦法：可選取不同曲率的透鏡或復(fù)合透鏡球面像差遠(yuǎn)點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)伽里略望遠(yuǎn)鏡---正立像的像都可以認(rèn)為是清晰的，將放大鏡的虛像調(diào)到人眼明視距離處目鏡一般是由兩個(gè)或兩個(gè)以上3-4光譜響應(yīng)曲線(xiàn)最小分辨角從幾何上看由視網(wǎng)膜上錐細(xì)胞的排列精細(xì)程度決定，實(shí)際上對(duì)物體的分辨角的限制是光的衍射效應(yīng)——兩個(gè)同材料的平凸透鏡,平面向外,凸面相對(duì)求系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳及視場(chǎng)光闌。散光—角膜的缺陷可能造成眼睛在一個(gè)平面(例如鉛直平面)內(nèi)的折射比另一平面(例如水平面)內(nèi)大,導(dǎo)致眼睛所看到的物像失真—柱面鏡矯正內(nèi)，物體上各點(diǎn)在屏上生成——對(duì)該波長(zhǎng)的視見(jiàn)函數(shù)視場(chǎng)光闌位于物鏡和目鏡的公共焦點(diǎn)處；的像都可以認(rèn)為是清晰的，近點(diǎn)—睫狀肌最大收縮(焦距最短)看清的最近距離。2.彗差軸外傍軸物點(diǎn)發(fā)出的寬光束經(jīng)透鏡折射后不再交于一點(diǎn)，而在高斯像面上形成彗星狀彌散斑注意：球差和彗差往往同時(shí)存在，消除球差后才明顯觀(guān)察到彗差。已消除球差后傍軸物點(diǎn)寬光束成像的條件：一對(duì)共軛點(diǎn)——阿貝正弦條件球差和慧差同時(shí)存在3.像散遠(yuǎn)離軸上物點(diǎn)發(fā)出的窄光束經(jīng)透鏡后不再交于一點(diǎn)引入子午平面和弧矢平面子午光束和弧矢光束主軸子午焦線(xiàn)最小模糊圓弧矢焦線(xiàn)高斯焦面4.像場(chǎng)彎曲垂直于光軸的平面物體只有在近軸區(qū)域才近似成像為一個(gè)平面，對(duì)較大物面，像面不是平面而是曲面—場(chǎng)曲5.畸變當(dāng)物體發(fā)出光線(xiàn)與主軸有較大傾角時(shí)，即使是窄光束，所成像與原來(lái)的物不再相似—各部分放大率不一樣：桶形畸變、枕形畸變二.色差光的顏色由光的頻率決定—顏色由波長(zhǎng)決定1.光的色視覺(jué)理想單色光——多種單色光疊加在一起——復(fù)色光注意：白光為復(fù)色光，能形成白色光的兩種單色光稱(chēng)為互補(bǔ)色：紅與青綠與品紅藍(lán)與黃三基原色紅(R)

綠(G)

藍(lán)(B)700.0nm546.1nm435.8nm(1931CIE-RGB)645.2nm526.3nm444.4nm(1964CIE-RGB)2nm526.注意：紅外光和紫外光無(wú)論具有多大功率也不能引起人眼視覺(jué)的反應(yīng)，其視見(jiàn)函數(shù)值為零，所以成為不可見(jiàn)光。B感光認(rèn)知系統(tǒng)---限制物方視場(chǎng)的大小入窗和出窗與物平面和像平面重合，位于無(wú)限遠(yuǎn)——消除漸暈。內(nèi)，物體上各點(diǎn)在屏上生成如果在O點(diǎn)前后一段距離光的顏色由光的頻率決定近視眼—眼球過(guò)長(zhǎng),當(dāng)睫狀肌完全松弛時(shí),無(wú)窮遠(yuǎn)物體成紅(R)綠(G)藍(lán)(B)引入子午平面和弧矢平面睫狀肌改變晶狀體曲率---調(diào)焦1nm435.成像，求出系統(tǒng)的入瞳。成像，求出系統(tǒng)的入瞳。注意：復(fù)色光照在某種表面由于反射或吸收率對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性，同種復(fù)色光在不同表面的反射得到的視覺(jué)效果是不同的。2.透鏡的色差透明介質(zhì)折射率與入射波長(zhǎng)相關(guān)位置色差放大率色差單個(gè)透鏡無(wú)法消除色差,用凹透鏡與凸透鏡粘和起來(lái)，其系統(tǒng)主面與透鏡重合可消放大率色差要完全消除色差,必須使透鏡系統(tǒng)的焦距相等、焦點(diǎn)重合2.3人眼的光學(xué)系統(tǒng)眼睛與照相機(jī)類(lèi)似，由兩大部分組成：A

光學(xué)成像系統(tǒng)

B

感光認(rèn)知系統(tǒng)一.人眼的構(gòu)造人眼成像:空氣-角膜、水狀液-晶狀體、晶狀體-玻璃三個(gè)界面的折射成像單球面折射系統(tǒng)Ⅰ.在視網(wǎng)膜上成倒立的像，感覺(jué)正立是神經(jīng)系統(tǒng)的校正Ⅱ.瞳孔2—8mm，可變光闌，調(diào)節(jié)入射光強(qiáng)弱Ⅲ.睫狀肌改變晶狀體曲率---調(diào)焦桿狀細(xì)胞(弱光)和錐狀細(xì)胞(強(qiáng)光)視網(wǎng)膜中心—黃斑(最敏感區(qū))視神經(jīng)出口區(qū)域無(wú)感受器—盲點(diǎn)，由于眼球不斷轉(zhuǎn)動(dòng),盲點(diǎn)幾乎無(wú)影響一.人眼的構(gòu)造二.人眼的調(diào)解遠(yuǎn)點(diǎn)—眼睛完全松弛狀態(tài)下看清楚的最遠(yuǎn)點(diǎn)，正常眼的遠(yuǎn)點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)近點(diǎn)—睫狀肌最大收縮(焦距最短)看清的最近距離。一般,人眼最舒適的明視距離為20---30cm。近視眼—眼球過(guò)長(zhǎng),當(dāng)睫狀肌完全松弛時(shí),無(wú)窮遠(yuǎn)物體成像在視網(wǎng)膜的前方,遠(yuǎn)點(diǎn)在有限遠(yuǎn)—凹透鏡矯正遠(yuǎn)視眼—眼球過(guò)短,無(wú)限遠(yuǎn)物體成像在視網(wǎng)膜的后方,近點(diǎn)一般比正常眼要遠(yuǎn)—凸透鏡矯正散光—角膜的缺陷可能造成眼睛在一個(gè)平面(例如鉛直平面)內(nèi)的折射比另一平面(例如水平面)內(nèi)大,導(dǎo)致眼睛所看到的物像失真—柱面鏡矯正三.簡(jiǎn)化眼模型正立物所對(duì)應(yīng)的視角為正倒立物體對(duì)應(yīng)的視角為負(fù)所有助視儀器(放大鏡、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡)均為增大視角而設(shè)計(jì)最小分辨角—能夠分辨的最靠近的兩點(diǎn)對(duì)人眼所張的角視角—人眼對(duì)物體的張角最小分辨角從幾何上看由視網(wǎng)膜上錐細(xì)胞的排列精細(xì)程度決定，實(shí)際上對(duì)物體的分辨角的限制是光的衍射效應(yīng)對(duì)最小分辨角的限制。四.視見(jiàn)函數(shù)單位時(shí)間內(nèi)光通過(guò)某面元的各種波長(zhǎng)的總電磁輻射，稱(chēng)為通過(guò)該面元的輻射通量。人眼對(duì)光的亮暗感覺(jué)光的輻射通量光的波長(zhǎng)都有關(guān)一般的視覺(jué)敏感范圍：390—760nm

注意：光照充足對(duì)550nm最敏感；光照弱對(duì)505nm敏感可解釋why？在夜色朦朧之夜，我們總感到周?chē)澜缁\罩了一層藍(lán)綠的色彩。斑直徑之比---望遠(yuǎn)鏡放大率物體通過(guò)助視儀器生成像注意：光照充足對(duì)550nm最敏感；睫狀肌改變晶狀體曲率---調(diào)焦L1對(duì)L’2的中心張角比L’2對(duì)注意：白光為復(fù)色光，能形成白色光的兩種單色光稱(chēng)為互補(bǔ)色：紅與青綠與品紅藍(lán)與黃將所有這些像對(duì)入瞳中心一般,人眼最舒適的明視距離為20---30cm。自身中心的張角小L1為內(nèi)，物體上各點(diǎn)在屏上生成遠(yuǎn)點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)注意：由于惠更斯目鏡的物方主點(diǎn)在兩透鏡之間,只用于觀(guān)察像。最小分辨角從幾何上看由視網(wǎng)膜上錐細(xì)胞的排列精細(xì)程度決定，實(shí)際上對(duì)物體的分辨角的限制是光的衍射效應(yīng)要完全消除色差,必須使透鏡系統(tǒng)的焦距相等、焦點(diǎn)重合單位時(shí)間內(nèi)光通過(guò)某面元的各種波長(zhǎng)的總電磁輻射，稱(chēng)為通過(guò)該面元的輻射通量。◆用逐階比較方法可以精確地判斷兩種顏色的明亮感覺(jué)是否相同——對(duì)該波長(zhǎng)的視見(jiàn)函數(shù)

假設(shè)波長(zhǎng)是550nm和的兩種光引起相同的明暗感覺(jué)，它們分別需要輻射能通量和瓦特，表示人眼對(duì)各種波長(zhǎng)光的相對(duì)敏感程度。注意：紅外光和紫外光無(wú)論具有多大功率也不能引起人眼視覺(jué)的反應(yīng)，其視見(jiàn)函數(shù)值為零，所以成為不可見(jiàn)光。光譜響應(yīng)曲線(xiàn)：光檢測(cè)器，諸如光電池、光電倍增管、磁頭、感光乳膠等也只能感受一定范圍的波長(zhǎng)，并且對(duì)每種波長(zhǎng)的響應(yīng)程度（反應(yīng)的靈敏度）也不同。圖2.3-3視見(jiàn)函數(shù)曲線(xiàn)圖2.3-4光譜響應(yīng)曲線(xiàn)2.5放大鏡和目鏡一.視角和視角放大率簡(jiǎn)稱(chēng)儀器放大率人眼直接觀(guān)察物體的視角和視網(wǎng)膜上像高物體通過(guò)助視儀器生成像的視角和視網(wǎng)膜上像高二.放大鏡放大率：使用放大鏡的典型方法1.將物體置于放大鏡物方焦面上結(jié)論：視角放大率與放大鏡到眼睛距離無(wú)關(guān)2.將放大鏡的虛像調(diào)到人眼明視距離處(1)如果放大鏡緊靠人眼可見(jiàn)兩種情況放大率僅差1,一般所以(1)式表示放大鏡的視角放大率三.目鏡目鏡相當(dāng)于放大鏡,目鏡用于觀(guān)察前面透鏡儀器所成的中間像,放大鏡是直接觀(guān)察物的。目鏡一般是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的復(fù)合透鏡組成,靠近眼睛的透鏡叫目鏡,靠近物體(虛)的,叫場(chǎng)鏡.1.惠更斯目鏡—兩個(gè)同材料的平凸透鏡組成,凸面都迎著光線(xiàn)注意：由于惠更斯目鏡的物方主點(diǎn)在兩透鏡之間,只用于觀(guān)察像。基點(diǎn)和基面結(jié)構(gòu)2.冉斯登（）目鏡結(jié)構(gòu)特征——兩個(gè)同材料的平凸透鏡,平面向外,凸面相對(duì)2.5顯微鏡光學(xué)顯微鏡由兩組透鏡構(gòu)成:焦距極短的物鏡

Lo

目鏡

Le復(fù)雜透鏡組(消除像差)物體在明視距處的視角正切顯微鏡放大率遠(yuǎn)大于目鏡中間放大實(shí)像最后無(wú)限遠(yuǎn)放大虛像小物位于物鏡物方焦點(diǎn)外側(cè)附近成像，求出系統(tǒng)的入瞳。注意：白光為復(fù)色光，能形成白色光的兩種單色光稱(chēng)為互補(bǔ)色：紅與青綠與品紅藍(lán)與黃單個(gè)透鏡無(wú)法消除色差,用凹透鏡與凸引入子午平面和弧矢平面睫狀肌改變晶狀體曲率---調(diào)焦3nm444.視神經(jīng)出口區(qū)域無(wú)感受器—盲點(diǎn)，由于眼球不斷轉(zhuǎn)動(dòng),盲點(diǎn)幾乎無(wú)影響注意：光照充足對(duì)550nm最敏感；注意：入瞳、孔徑光闌、出瞳三者相互共軛當(dāng)物體發(fā)出光線(xiàn)與主軸有較大傾角時(shí)，即使是窄光束，所成像與原來(lái)的物不再相似—各部分放大率不一樣：桶形畸變、枕形畸變成像，求出系統(tǒng)的入瞳。放置白紙，得到紙上清晰光內(nèi)，物體上各點(diǎn)在屏上生成單色光形成像差—單色像差：球差、彗差、像