光學(xué) 第四章 光學(xué)儀器基本原理3

1、光 學(xué),2014年11月,光 學(xué),研究光的強(qiáng)弱的學(xué)科稱光度學(xué)。,對于一個發(fā)光體（光源），它可能發(fā)射各種波長的電磁輻射。定義輻射能量譜密度 （），它的意義是：光源發(fā)射的波長為 的電磁輻射的功率。光源發(fā)射的總功率為：,稱之為輻射能通量,第五節(jié) 光度學(xué)基本概念,1、輻射通量,注意它與輻射度學(xué)不同：輻射度學(xué)是研究電磁輻射強(qiáng)弱的。,電磁輻射的強(qiáng)弱是用客觀的物理量來描述的，,而光的強(qiáng)弱不僅與電磁輻射的強(qiáng)弱有關(guān)還與人眼的感覺有關(guān),我們已經(jīng)知道，當(dāng)人眼觀察光時，并不是電磁輻射通量越大，人眼就感到越明亮。實驗已經(jīng)表明人眼對于不同波長的光亮度感覺靈敏度可以用視見度函數(shù)V（）來表示。,對于復(fù)色光總的光通量為：,這里

2、用V（） 作為人眼明暗感覺的權(quán)重。式中km=683lm/W，稱作光功當(dāng)量。它的意義是1瓦波長為555nm的光的能量與683流明的能量等價。,2、光通量,單位：流明 lm,第五節(jié) 光度學(xué)基本概念,定義光通量：,表示波長為 輻射能量密度為的光人眼感受到的通量。,對于點光源，定義單位立體角內(nèi)的光通量為發(fā)光強(qiáng)度,d,r,單位為坎德拉 cd，lm/sr,3、發(fā)光強(qiáng)度和亮度,第五節(jié) 光度學(xué)基本概念,對于面光源，每塊小面元dS沿某方向r有一定的發(fā)光強(qiáng)度dI，設(shè)r方向與面元dS法線n的夾角為，當(dāng)一個觀察者沿r方向觀察dS時，它的投影面積為dScos ，定義面元dS在r方向上亮度為：,r,單位：熙提 lm/cm

3、2.sr,3、發(fā)光強(qiáng)度和亮度,第五節(jié) 光度學(xué)基本概念,d,dS,常見光源的亮度,在地球大氣層外看到的太陽： 190000 sb 通過大氣看到的太陽： 150000 sb 鎢絲白熾燈： 500 sb 蠟燭火焰： 0.5 sb 通過大氣看到的滿月： 0.25 sb 晴朗的白晝天空： 0.15 sb 沒有月亮的夜空： 10-8 sb,3、發(fā)光強(qiáng)度和亮度,第五節(jié) 光度學(xué)基本概念,如果一個發(fā)光體從各個方向觀察其亮度都相同，這類發(fā)光體稱作余弦發(fā)光體或叫做朗伯發(fā)光體，顯然，這種發(fā)光體任一面元的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)該滿足：,這一性質(zhì)稱作朗伯余弦定律。,一個均勻的球余弦發(fā)光體，在遠(yuǎn)處觀察，可以看作是一個均勻發(fā)光圓盤,朗伯

4、反射體：對于入射光能夠均勻地向所有方向散射，散射光的發(fā)光強(qiáng)度總與cos 成正比。也稱理想漫射體。,4、余弦發(fā)光體和定向發(fā)光體,第五節(jié) 光度學(xué)基本概念,此時：,為什么？,光能量集中在一定的立體角內(nèi)的發(fā)光體稱作定向發(fā)光體。,激光就是一種定向發(fā)光體，設(shè)其功率為，發(fā)散角為，立體角為 （）2，光束截面積為S，其光度學(xué)亮度可以用下式計算：,4、余弦發(fā)光體和定向發(fā)光體,第五節(jié) 光度學(xué)基本概念,5、照度,定義：被光照射物體表面上單位面積的光通量：,單位：勒克斯 lx (lm/m2) ，或： 輻透 ph ( lm/cm2),點光源產(chǎn)生的照度：,面光源產(chǎn)生的照度：,第五節(jié) 光度學(xué)基本概念,無月夜天空光在地面的照度

5、： 0.3 lx 接近天頂?shù)臐M月在地面上的照度： 0.2 lx 辦公室工作所必須的照度： 20100 lx 晴朗夏日在采光良好的室內(nèi)照度： 100500 lx 夏天太陽不直接照到的露天地面上的照度: 103104 lx,一些實際情況下的照度,5、照度,第五節(jié) 光度學(xué)基本概念,第六節(jié) 象的亮度和照度,像的明暗描述應(yīng)從兩個方面來考慮,用眼睛觀察像時，像點的明暗決定于進(jìn)入瞳孔的光通量，進(jìn)進(jìn)入人眼的光通量取決于瞳孔對對于物點所張的立體角內(nèi)光通量多少?；蛘哒f決定于單位立體角內(nèi)光通量，這就是亮度的定義。,用感光器件（例如CCD，感光膠片等）接收像時，像的明暗決定于單位面積上的光通量，這是照度的定義。,1、

6、像的亮度,第六節(jié) 象的亮度和照度,u0,u0,入瞳,1、像的亮度,進(jìn)入出瞳的光通量,第六節(jié) 象的亮度和照度,u0,u0,入瞳,面積 像高y 亮度 L 孔徑角 u0 物方折射率 n,像的參數(shù),1、像的亮度,并考慮到,第六節(jié) 象的亮度和照度,u0,u0,入瞳,定義透光系數(shù),1、像的亮度,第六節(jié) 象的亮度和照度,注意：若光組沒有能量的損耗，并且 n = n，則：,2、像的照度,第六節(jié) 象的亮度和照度,稱作成像光組的數(shù)值孔徑,2、像的照度,不同成像情況下的照度,第六節(jié) 象的亮度和照度,對于很遠(yuǎn)處物體,當(dāng)像和物大小幾乎一樣時,3、主觀亮度,定義：對于擴(kuò)展光源，人眼視網(wǎng)膜上像的照度叫做主觀亮度,如果物體是

7、點光源，主觀亮度由進(jìn)入人眼的光通量決定。,第六節(jié) 象的亮度和照度,分辨極限：恰好能夠分辨的兩個像點的對出瞳中心的張角,1、分辨極限和分辨本領(lǐng),第七節(jié) 成像儀器的像分辨本領(lǐng),設(shè)光組的分辨極限角為 min，定義成像光組的分辨本領(lǐng)：, min,望遠(yuǎn)鏡是一個夫朗和費(fèi)衍射系統(tǒng)，從幾何光學(xué)角度來看，觀察平面上是遠(yuǎn)處物點的像而從衍射光學(xué)角度來看，觀察面是透鏡孔徑（或光闌）的衍射分布。, r, ,f,第七節(jié) 成像儀器的像分辨本領(lǐng),2、望遠(yuǎn)鏡分辨本領(lǐng),望遠(yuǎn)鏡對無窮遠(yuǎn)處物點成像時，其像點彌散為艾里斑，艾里斑衍射角為：,如果遠(yuǎn)處有兩個非相干光點，則經(jīng)透鏡成像后，在焦面上有兩個愛里斑（像）。像面上最后的分布是兩個衍射

8、光分布的光強(qiáng)迭加,第七節(jié) 成像儀器的像分辨本領(lǐng),兩平行光的夾角等于兩個衍射斑峰值對于出射光瞳的夾角,2、望遠(yuǎn)鏡分辨本領(lǐng),光點靠的很近,光點靠的較遠(yuǎn),光點靠的較近,兩衍射峰相對于光軸的夾角很小,兩衍射峰相對于光軸的夾角較小,兩衍射峰相對于光軸的夾角較大,第七節(jié) 成像儀器的像分辨本領(lǐng),2、望遠(yuǎn)鏡分辨本領(lǐng),當(dāng)物點距離（即兩平行光夾角）發(fā)生變化時，兩衍射斑變化,“恰好能夠分辨”由瑞利判據(jù)決定,當(dāng)一個像斑（愛里斑）的中心剛好與另一個像斑（愛里斑）的邊緣重合時，兩個像斑剛剛可以被人眼分辨。此時，兩束平行光的夾角等于愛里斑的半角寬：,第七節(jié) 成像儀器的像分辨本領(lǐng),2、望遠(yuǎn)鏡分辨本領(lǐng),望遠(yuǎn)鏡分辨本領(lǐng),像點距離

9、分辨極限,第七節(jié) 成像儀器的像分辨本領(lǐng),3、一般光學(xué)成像的分辨本領(lǐng),像點距離分辨極限,分辨本領(lǐng),物點距離分辨極限,第七節(jié) 成像儀器的像分辨本領(lǐng),3、一般光學(xué)成像的分辨本領(lǐng),人眼分辨本領(lǐng),設(shè)人眼瞳孔半徑為1毫米，以最靈敏的波長為例， 則瞳孔的的分辨極限角為：,如果在眀視距離處觀察物體，兩物點距離分辨極限為,如果在眀視距離處觀察物體，兩像點距離分辨極限為,第七節(jié) 成像儀器的像分辨本領(lǐng),3、一般光學(xué)成像的分辨本領(lǐng),顯微鏡分辨本領(lǐng),像方角分辨極限,物方角分辨極限,像方線分辨極限,物方線分辨極限,(1) 提高放大率不能提高分辨本領(lǐng)，即原來不能分辨的，放大率再大也不能分辨,第七節(jié) 成像儀器的像分辨本領(lǐng),4、分辨本領(lǐng)與放大率的關(guān)系,(2) 放大率不足，可能出現(xiàn)儀器可分辨、 但接收器件不能分辨的情況,所以，儀器放大