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1、光学第二章课件第1页，共36页，编辑于2022年，星期四第二章第二章 光阑、像差和成像光学仪器光阑、像差和成像光学仪器2.1 光阑光阑 系统中的一些固定或可变的系统中的一些固定或可变的带孔屏障带孔屏障或光学元件的或光学元件的边缘边缘光阑光阑光阑（或其像）对入射光束的限制光阑（或其像）对入射光束的限制光阑的像（或光阑）对共轭出射光束的限制光阑的像（或光阑）对共轭出射光束的限制光阑光阑孔径光阑孔径光阑视场光阑视场光阑第2页，共36页，编辑于2022年，星期四孔径光阑孔径光阑 A.S.的作用的作用：限制成像光束限制成像光束口径口径控制到达像面的光能控制到达像面的光能视场光阑视场光阑 F.S.的作用的
2、作用：限制物面上能成像的限制物面上能成像的范围范围限制视场的大小限制视场的大小一一.孔径光阑和孔径光阑和视场光阑视场光阑第3页，共36页，编辑于2022年，星期四二二.光阑限制的共轭原理光阑限制的共轭原理DDPDDPMNNM结论：结论：光阑（或其像）对入射光束的限制与光阑的像（或光光阑（或其像）对入射光束的限制与光阑的像（或光阑）对其共轭出射光束的限制，两者完全等价阑）对其共轭出射光束的限制，两者完全等价 如果任意入射线如果任意入射线PM与与DD的边框部分相交，其共轭出的边框部分相交，其共轭出射线必被射线必被DD阻挡；同理，阻挡；同理，另一入射线另一入射线PN能能“通过通过”DD，其共轭出射线
3、必能，其共轭出射线必能通过通过DD 第4页，共36页，编辑于2022年，星期四三三.孔径光阑的确定方法孔径光阑的确定方法 入瞳和出瞳入瞳和出瞳确定系统孔径光阑的方法确定系统孔径光阑的方法:将系统中各光阑分别经其将系统中各光阑分别经其前面的光学元件成像于系前面的光学元件成像于系统的物空间统的物空间,其中对轴上点其中对轴上点张角最小张角最小的那个像所对应的那个像所对应的光阑即为孔径光阑的光阑即为孔径光阑A.S.孔径光阑孔径光阑 与轴上物点位置有关与轴上物点位置有关,具有限制轴上物具有限制轴上物 点的成像光束孔径角的作用。点的成像光束孔径角的作用。第5页，共36页，编辑于2022年，星期四入瞳入瞳孔
4、径光阑通过其孔径光阑通过其前面前面光学系统所成的像光学系统所成的像 (En.P.)决定进入系统光束的大小决定进入系统光束的大小,如如DD入射孔径角入射孔径角由轴上物点对入瞳半径的张角由轴上物点对入瞳半径的张角出瞳出瞳孔径光阑通过它孔径光阑通过它后面后面光学系统所成的像光学系统所成的像 (Ex.P.)决定从系统出射光束的大小决定从系统出射光束的大小，如，如DD出射孔径角出射孔径角出瞳半径对轴上物点的共轭点所出瞳半径对轴上物点的共轭点所 形成的张角形成的张角注意：注意：入瞳、孔径光阑、出瞳三者入瞳、孔径光阑、出瞳三者相互共轭相互共轭第6页，共36页，编辑于2022年，星期四主光线主光线（chief
5、 ray）通过物点和入瞳中心的光线通过物点和入瞳中心的光线轴上物点的主光线为光轴轴上物点的主光线为光轴边缘光线边缘光线(marginel ray)通过物点和入瞳边缘的光线通过物点和入瞳边缘的光线边缘光线必通过孔径光阑和出瞳边缘边缘光线必通过孔径光阑和出瞳边缘第7页，共36页，编辑于2022年，星期四四四.视场光阑的确定方法视场光阑的确定方法 入窗和出窗入窗和出窗物物 PQ 上上Q1 1点以上的主光线都被透镜边缘挡住而不能通过点以上的主光线都被透镜边缘挡住而不能通过系统系统透镜边缘的边框限制着通过系统的主光线透镜边缘的边框限制着通过系统的主光线限制着限制着物面上的成像范围物面上的成像范围视场光阑
6、视场光阑将系统中各光阑将系统中各光阑逐个地对其前面光学系统逐个地对其前面光学系统成像，求出系统的入瞳。成像，求出系统的入瞳。将所有这些像对入瞳中心将所有这些像对入瞳中心张角，其中最小张角者所张角，其中最小张角者所对应的光阑即系统的视场对应的光阑即系统的视场光阑光阑.入窗入窗视场光视场光 阑经前面光阑经前面光 学系统的像学系统的像-限制物方限制物方视场的大小视场的大小出窗出窗视场光视场光 阑经后面光阑经后面光 学系统的像学系统的像 -限制像方限制像方视场的大小视场的大小注意：视场光阑、入窗、出窗共轭注意：视场光阑、入窗、出窗共轭确定方法确定方法第8页，共36页，编辑于2022年，星期四并不是所有
7、视场以外各点的光线都被视场光阑挡住而不能进入并不是所有视场以外各点的光线都被视场光阑挡住而不能进入系统参加成像，系统参加成像，QQ1上的各点仍有部分光线进入系统，不上的各点仍有部分光线进入系统，不过物点离轴越远，形成的像点越暗过物点离轴越远，形成的像点越暗这种现象称为这种现象称为渐晕渐晕。通常通常规定其主光线能进入系统的物点为视场的边缘点规定其主光线能进入系统的物点为视场的边缘点物方视场物方视场能进入系统的主光线相应的物点在物面上能进入系统的主光线相应的物点在物面上 的范围（的范围（PQ1）像方视场像方视场物方视场的共轭像点在像面上的范围物方视场的共轭像点在像面上的范围 （PQ1）物方视场角物
8、方视场角 像方视场角像方视场角第9页，共36页，编辑于2022年，星期四三三.光阑与景深光阑与景深三维物体成像在一个像面上的清晰度问题三维物体成像在一个像面上的清晰度问题-用光阑用光阑对成像光束的口径加以限制对成像光束的口径加以限制如果在如果在O点前后一段距离点前后一段距离内，物体上各点在屏上生成内，物体上各点在屏上生成的像都可以认为是清晰的，的像都可以认为是清晰的，则物空间内这一段距离则物空间内这一段距离景深景深像空间内相应的距离像空间内相应的距离-焦深焦深光束越细光束越细景深越长景深越长光阑越大光阑越大景深越短景深越短第10页，共36页，编辑于2022年，星期四例例2.1-1 两个薄透镜两
9、个薄透镜L1、L2的孔径为的孔径为4.0cm，L1为凹透镜为凹透镜L2为凸透镜，它们的焦距分别为为凸透镜，它们的焦距分别为8cm和和6cm，镜间距离为，镜间距离为3cm，光线平行于光轴入射。求系统的孔径光阑、入瞳和出，光线平行于光轴入射。求系统的孔径光阑、入瞳和出瞳及视场光阑。瞳及视场光阑。解：解：首先将首先将L1和和L2分别对其前面光学系统成像，分别对其前面光学系统成像，L1对其前面光对其前面光学系统的像就是他本身，而学系统的像就是他本身，而L2经其前面光学系统即经其前面光学系统即L1所成的像，所成的像，L1的右侧的右侧2.2cm出高出高2.9cmcm的缩小虚象的缩小虚象L2平行光入射平行光
10、入射,L2小于小于L1,L2既是既是孔径光阑孔径光阑又是又是出瞳出瞳L2为为入瞳入瞳;L1对对L2的中心张角比的中心张角比L2对对自身中心的张角小自身中心的张角小L1为为视场光阑视场光阑第11页，共36页，编辑于2022年，星期四2.2 像差像差实实际际成成像像理理想想成成像像像差：像差：几何几何像差像差复色光复色光形成像差形成像差色差色差单色光单色光形成像差形成像差单色单色像差像差：球差、彗差、像：球差、彗差、像散、像场弯曲、畸变散、像场弯曲、畸变波波像像差差波面发生变化波面发生变化实实际际波波面面理理想想波波面面非近轴成像非近轴成像一一.单色像差单色像差第12页，共36页，编辑于2022年
11、，星期四1.球差球差轴上物点发出的宽光束经薄透镜后轴上物点发出的宽光束经薄透镜后不再交于一点，不再交于一点，无论无论观察屏在何处都将出现弥散斑的现象观察屏在何处都将出现弥散斑的现象度量球差大小度量球差大小会聚会聚透镜透镜发散发散透镜透镜减小球差的办法：可选取不同曲率的透镜或减小球差的办法：可选取不同曲率的透镜或复合透镜复合透镜第13页，共36页，编辑于2022年，星期四球面像差球面像差第14页，共36页，编辑于2022年，星期四2.彗差彗差轴外傍轴物点发出的宽光束经透镜折射后不再交于一点，而轴外傍轴物点发出的宽光束经透镜折射后不再交于一点，而在高斯像面上形成在高斯像面上形成彗星状弥散斑彗星状弥
12、散斑注意：注意：球差和彗差往往球差和彗差往往同时存在，消除球差后同时存在，消除球差后才明显观察到彗差。才明显观察到彗差。已消除球差后傍轴物点宽光束已消除球差后傍轴物点宽光束成像的条件：一对共轭点成像的条件：一对共轭点阿贝正弦条件阿贝正弦条件第15页，共36页，编辑于2022年，星期四球差和慧差同时存在球差和慧差同时存在第16页，共36页，编辑于2022年，星期四3.像散像散远离轴上物点发出的窄光束经透镜后远离轴上物点发出的窄光束经透镜后不再交于一点不再交于一点引入引入子午平面子午平面和和弧矢平面弧矢平面子午光束子午光束和和弧矢光束弧矢光束主轴主轴子午焦线子午焦线最最小小模模糊糊圆圆弧弧矢矢焦焦
13、线线高斯焦面高斯焦面第17页，共36页，编辑于2022年，星期四4.像场弯曲像场弯曲垂直于光轴的平面物体只有在近轴区域才近似成像为垂直于光轴的平面物体只有在近轴区域才近似成像为一个平面，对较大物面，像面不是平面而是曲面一个平面，对较大物面，像面不是平面而是曲面场曲场曲5.畸变畸变当物体发出光线与主轴有较大倾角时，即使是窄光束，当物体发出光线与主轴有较大倾角时，即使是窄光束，所成像与原来的物不再相似所成像与原来的物不再相似各部分放大率不一样：各部分放大率不一样：桶形畸变、枕形畸变桶形畸变、枕形畸变第18页，共36页，编辑于2022年，星期四二二.色差色差光的颜色由光的频率决定光的颜色由光的频率决
14、定颜色由波长决定颜色由波长决定1.1.光的色视觉光的色视觉理想单色光理想单色光多种单色光叠加在一起多种单色光叠加在一起复色光复色光注意：注意：白光为复色光，白光为复色光，能形成白色光的两种单色光称为互补能形成白色光的两种单色光称为互补色色：红与青：红与青 绿与品红绿与品红 蓝与黄蓝与黄三基原色三基原色红红(R)(R)绿绿(G)(G)蓝蓝(B)(B)700.0nm 546.1nm 435.8nm (1931CIE-RGB)700.0nm 546.1nm 435.8nm (1931CIE-RGB)645.2nm 526.3nm 444.4nm (1964CIE-RGB)645.2nm 526.3n
15、m 444.4nm (1964CIE-RGB)第19页，共36页，编辑于2022年，星期四注意：注意：复色光照在某种表面由于反射或吸收率对波长具有选择性，同种复色光照在某种表面由于反射或吸收率对波长具有选择性，同种复色光在不同表面的反射得到的视觉效果是不同的。复色光在不同表面的反射得到的视觉效果是不同的。2.透镜的色差透镜的色差透明介质折射率与入射波长相关透明介质折射率与入射波长相关位置色差位置色差放大率色差放大率色差单个透镜无法消除色差单个透镜无法消除色差,用凹透镜与凸用凹透镜与凸透镜粘和起来，其系统主面与透镜重合透镜粘和起来，其系统主面与透镜重合可消放大率色差可消放大率色差要完全消除色差要
16、完全消除色差,必须使透镜系统的焦距相等、必须使透镜系统的焦距相等、焦点重合焦点重合第20页，共36页，编辑于2022年，星期四2.3 人眼的光学系统人眼的光学系统眼睛与照相机类似，由两大部分组成：眼睛与照相机类似，由两大部分组成：A 光学成像系统光学成像系统 B 感光认知系统感光认知系统一一.人眼的构造人眼的构造人眼成像人眼成像:空气空气-角膜、水状液角膜、水状液-晶状体、晶晶状体、晶状体状体-玻璃三个界面的折射成像玻璃三个界面的折射成像单球面折射系统单球面折射系统.在视网膜上成倒立的像，感觉正立是神经系统的校正在视网膜上成倒立的像，感觉正立是神经系统的校正.瞳孔瞳孔2 28mm8mm，可变光
17、阑，调节入射光强弱，可变光阑，调节入射光强弱.睫状肌改变晶状体曲率睫状肌改变晶状体曲率-调焦调焦第21页，共36页，编辑于2022年，星期四杆状细胞杆状细胞(弱光弱光)和锥状细胞和锥状细胞(强光强光)视网膜中心视网膜中心黄斑黄斑(0.25mm最敏感最敏感区区)视神经出口区域无感受器视神经出口区域无感受器盲点盲点，由于眼球不断转动由于眼球不断转动,盲点几乎无盲点几乎无影响影响一一.人眼的构造人眼的构造第22页，共36页，编辑于2022年，星期四二二.人眼的调解人眼的调解远点远点眼睛完全松弛状态下看清楚的眼睛完全松弛状态下看清楚的最远点最远点，正常眼的，正常眼的 远点在无穷远远点在无穷远近点近点睫
18、状肌最大收缩睫状肌最大收缩(焦距最短焦距最短)看清的看清的最近距离最近距离。一般一般,人眼最舒适的人眼最舒适的明视距离明视距离为为20-30cm。近视眼近视眼眼球眼球过长过长,当睫状肌完全松弛时当睫状肌完全松弛时,无穷远物体成无穷远物体成 像在视网膜的前方像在视网膜的前方,远点在有限远远点在有限远凹透镜矫正凹透镜矫正远视眼远视眼眼球眼球过短过短,无限远物体成像在视网膜的后方无限远物体成像在视网膜的后方,近近 点一般比正常眼要远点一般比正常眼要远凸透镜矫正凸透镜矫正散光散光角膜的缺陷可能造成眼睛在一个平面角膜的缺陷可能造成眼睛在一个平面(例如铅直例如铅直 平平面面)内的折射比另一平面内的折射比另
19、一平面(例如水平面例如水平面)内大内大,导致眼睛所看到的导致眼睛所看到的物像失真物像失真柱面镜矫正柱面镜矫正第23页，共36页，编辑于2022年，星期四三三.简化眼模型简化眼模型正立物所对应的视角为正正立物所对应的视角为正倒立物体对应的视角为负倒立物体对应的视角为负所有所有助视仪器助视仪器(放大镜、望远镜、显微镜放大镜、望远镜、显微镜)均为均为增大视角增大视角而设计而设计最小分辨角最小分辨角能够分辨的最靠近的两点对人眼所张的角能够分辨的最靠近的两点对人眼所张的角视角视角人眼对物体的张角人眼对物体的张角最小分辨角从几何上看由视网膜上锥细胞的排列精细程度决定，最小分辨角从几何上看由视网膜上锥细胞的
20、排列精细程度决定，实际上对物体的分辨角的限制是光的衍射效应实际上对物体的分辨角的限制是光的衍射效应对最小分辨角的限制。对最小分辨角的限制。第24页，共36页，编辑于2022年，星期四四四.视见函数视见函数单位单位时间时间内光通过某面元的各种波长的总电磁辐射，称为通内光通过某面元的各种波长的总电磁辐射，称为通过该面元的过该面元的辐射通量辐射通量。人眼对光的亮暗感觉人眼对光的亮暗感觉光的辐射通量光的辐射通量光的波长光的波长都有关都有关一般的视觉敏感范围：一般的视觉敏感范围：390760nm 注意：注意：光照充足对光照充足对550nm最敏感；光照弱对最敏感；光照弱对505nm敏感敏感 可解释可解释
21、why？在夜色朦胧之夜，我们总感到周围世界笼罩了在夜色朦胧之夜，我们总感到周围世界笼罩了一层蓝绿的色彩。一层蓝绿的色彩。第25页，共36页，编辑于2022年，星期四 用用逐阶比较方法逐阶比较方法可以精确地判断两种颜色的明亮感觉可以精确地判断两种颜色的明亮感觉是否相同是否相同 对该波长对该波长 的的视见函数视见函数 假设波长是假设波长是550nm和和 的两种光引起相同的明暗感觉，它的两种光引起相同的明暗感觉，它们分别需要辐射能通量们分别需要辐射能通量 和和 瓦特，瓦特，表示表示人眼对各种波长光的人眼对各种波长光的相对敏感程度相对敏感程度。注意：注意：红外光和紫外光无论具有多大功率也不能引起人眼红
22、外光和紫外光无论具有多大功率也不能引起人眼视觉的反应，其视觉的反应，其视见函数值为零视见函数值为零，所以成为，所以成为不可见光不可见光。第26页，共36页，编辑于2022年，星期四光谱响应曲线光谱响应曲线：光检测器，诸如光电池、光电倍增管、磁头、：光检测器，诸如光电池、光电倍增管、磁头、感光乳胶等也只能感受一定范围的波长，并且对每种波长的响感光乳胶等也只能感受一定范围的波长，并且对每种波长的响应程度（反应的灵敏度）也不同。应程度（反应的灵敏度）也不同。图图2.3-3 视见函数曲线视见函数曲线 图图2.3-4 光谱响应曲线光谱响应曲线 第27页，共36页，编辑于2022年，星期四2.5 放大镜和
23、目镜放大镜和目镜一一.视角和视角放大率视角和视角放大率简称仪器放大率简称仪器放大率人眼直接观察物体的视角人眼直接观察物体的视角和视网膜上像高和视网膜上像高物体通过助视仪器生成像物体通过助视仪器生成像的视角和视网膜上像高的视角和视网膜上像高二二.放大镜放大镜放大率：放大率：第28页，共36页，编辑于2022年，星期四使用放大镜的典型方法使用放大镜的典型方法1.将物体置于放大镜物方焦面上将物体置于放大镜物方焦面上结论：视角放大率与放大镜到眼睛距离无关结论：视角放大率与放大镜到眼睛距离无关2.将放大镜的虚像调到人眼明视距离处将放大镜的虚像调到人眼明视距离处(1)如果放大镜紧靠人眼如果放大镜紧靠人眼可
24、见两种情况放大率仅差可见两种情况放大率仅差1,一般一般所以所以(1)式表示放大镜的视角式表示放大镜的视角放大率放大率第29页，共36页，编辑于2022年，星期四三三.目镜目镜目镜相当于放大镜目镜相当于放大镜,目镜用于观察前面透镜仪器所成的中间目镜用于观察前面透镜仪器所成的中间像像,放大镜是直接观察物的。目镜一般是由两个或两个以上放大镜是直接观察物的。目镜一般是由两个或两个以上的复合透镜组成的复合透镜组成,靠近眼睛的透镜叫目镜靠近眼睛的透镜叫目镜,靠近物体靠近物体(虚虚)的的,叫场镜叫场镜.1.惠更斯目镜惠更斯目镜两个同材料的平凸透镜组成两个同材料的平凸透镜组成,凸面都迎着光凸面都迎着光线线注意
25、：由于惠更斯目镜的物方主点在两透镜之间注意：由于惠更斯目镜的物方主点在两透镜之间,只用于观察像。只用于观察像。基点和基点和基面基面结构结构第30页，共36页，编辑于2022年，星期四2.冉斯登冉斯登（J.Ramsten）目镜目镜结构特征结构特征两个同材料的平凸透镜两个同材料的平凸透镜,平面向外平面向外,凸面相对凸面相对第31页，共36页，编辑于2022年，星期四2.5 显微镜显微镜光学显微镜由两组透镜构成光学显微镜由两组透镜构成:焦距极短的物镜焦距极短的物镜 L Lo o 目镜目镜 L Le e复杂透镜组复杂透镜组(消除像差消除像差)物体在明视距物体在明视距处的视角正切处的视角正切显微镜放大率
26、远大于目镜显微镜放大率远大于目镜中间放大实像中间放大实像最后无最后无限远限远放放大虚像大虚像小物小物位于位于物镜物镜物方物方焦点焦点外侧外侧附近附近第32页，共36页，编辑于2022年，星期四显微镜的显微镜的光学间隔光学间隔 ：物镜的像方焦点到目镜的物方物镜的像方焦点到目镜的物方焦点的距离焦点的距离光学间隔光学间隔：物镜像方焦点到它所生成：物镜像方焦点到它所生成 像像PQ的距离的距离1.显微镜的放大率与其光学筒长成正比；显微镜的放大率与其光学筒长成正比；2.物镜和目镜的焦距越短，放大率越大；物镜和目镜的焦距越短，放大率越大；3.显微镜成倒立虚像。显微镜成倒立虚像。可见：可见：显微镜用来观察近物
27、放大像显微镜用来观察近物放大像第33页，共36页，编辑于2022年，星期四观察远物放大像观察远物放大像物镜物镜 焦距较长焦距较长目镜目镜观察观察天体时天体时望远镜的望远镜的光学间隔为零光学间隔为零观察观察有限远景物有限远景物时望远镜的时望远镜的光学间隔很小光学间隔很小结构特征结构特征一一.开普勒望远镜开普勒望远镜物镜焦距越长物镜焦距越长,目镜焦距越短放大目镜焦距越短放大率越大率越大;U,UU,U是一对共轭量是一对共轭量;角放大率与视角放大率与视角放大率相等角放大率相等.望远镜成倒立像望远镜成倒立像.2.7 望远镜望远镜第34页，共36页，编辑于2022年，星期四 开普勒望远镜的出瞳和入瞳开普勒
28、望远镜的出瞳和入瞳1.望远镜的物镜边缘为孔径光阑；望远镜的物镜边缘为孔径光阑；2.视场光阑位于物镜和目镜的视场光阑位于物镜和目镜的公共焦点处；公共焦点处；3.入窗和出窗与物平面和像平面重入窗和出窗与物平面和像平面重合，位于无限远合，位于无限远消除渐晕。消除渐晕。入瞳的直径越大，出瞳的直径越小，入瞳的直径越大，出瞳的直径越小，望远镜的放大率越大望远镜的放大率越大测望远镜放大率：将望远镜测望远镜放大率：将望远镜对准无穷远调焦，在目镜后对准无穷远调焦，在目镜后放置白纸，得到纸上清晰光放置白纸，得到纸上清晰光斑斑-出瞳。由物镜直径与光出瞳。由物镜直径与光斑直径之比斑直径之比-望远镜放大率望远镜放大率入瞳入瞳出瞳出瞳第35页，共36页，编辑于2022年，星期四二二.伽里略望远镜伽里略望远镜-正立像正立像伽里略望远镜的物镜伽里略望远镜的物镜与目镜的距离与目镜的距离公共焦点在目镜之外公共焦点在目镜之外不能在公共焦点上放置光不能在公共焦点上放置光阑阑限制应用范围限制应用范围望远镜将最后像调到望远镜将最后像调到明视距离明视距离处较处较无限远处放大率大无限远处放大率大 倍倍增加望远镜的放大率增加望远镜的放大率增大望远镜的增大望远镜的物镜孔径物镜孔径反射式望远镜反射式望远镜物镜物镜出瞳出瞳目镜目镜第36页，共36页，编辑于2022年，星期四