光学chapter

第二章光阑相差和成像光学仪器chapter2Stopandpupilandopticalimaginginstruments本章内容Contents光阑和光瞳stopandpupil像差aberration人眼的光学系统opticalsystemofhuman’seyes放大镜和目镜enlarginglensandeyelens显微镜和望远镜microscopeandtelescope光阑:放置在光学系统中的一些固定或可变的带孔屏障或光学元件的边缘.CH2-1光阑和光瞳stopandpupils一.孔径光阑和视场光阑LPQDDSA.PQ孔径光阑A.S.：限制成像光束口径控制到达像面的光能视场光阑F.S.：限制物面上能成像的范围限制视场的大小P1QQFLFSF.DDPQ1QPMNDDPDDNM二.光阑限制的共轭原理如果任意入射线PM与D’D’的边框部分相交，其共轭出射线必被DD阻挡；同理，另一入射线PN能“通过”D’D’，其共轭出射线必能通过DD。结论：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。三.孔径光阑的确定入瞳和出瞳孔径光阑（A.S.）:与轴上物点位置有关,具有限制轴上物点成像光束孔径角的作用。原则:将系统中各光阑分别经其前面的光学元件成像于系统的物空间,对轴上物点张角最小的那个像所对应的光阑即为孔径光阑.FPLDDDDF入瞳:孔径光阑通过其前面光学系统所成的像(En.P.)决定进入系统光束的大小,如D’D’入射孔径角u:由轴上物点对入瞳半径的张角出瞳:孔径光阑通过它后面光学系统所成的像(Ex.P.)决定从系统出射光束的大小，如DD出射孔径角u’:出瞳半径对轴上物点的共轭点所形成的张角主光线（chiefray）:通过物点和入瞳中心的光线轴上物点的主光线为光轴边缘光线(marginelray):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注意：入瞳、孔径光阑、出瞳三者相互共轭入瞳出窗入窗出瞳2O2ODDP1QQP1QEABF..SF..SA00DD四.视场光阑的确定方法入窗和出窗物PQ上Q1点以上的主光线都被透镜边缘挡住而不能通过系统—透镜边缘的边框限制着通过系统的主光线—限制着物面上的成像范围.这称为视场光阑。入窗—视场光阑经前面光学系统的像---限制物方视场的大小出窗—视场光阑经后面光学系统的像---限制像方视场的大小注意：视场光阑、入窗、出窗共轭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，QQ1上的各点仍有光线进入系统，离轴越远像点越弱—渐晕.规定：以主光线能进入系统的物点为视场的边缘点物方视场—能进入系统的主光线相应的物点在物面上的范围(PQ1)像方视场—物方视场的共轭像点在像面上的范围(P’Q’1)物方视场角ω。,像方视场角ω’。对于任一光学系统，视场光阑的确定方法：将系统中各光阑逐个地对其前面光学系统成像，求出系统的入瞳。将所有这些像对入瞳中心张角，其中张角最小者所对应的光阑即系统的视场光阑.五.光阑与景深孔径光阑起着限制成像光束口径大小的作用，因而可以影响像的亮度、像差和景深。为提高三维物体成像在一个像面上的清晰度--可用光阑对成像光束的口径加以限制AOBLDDBOA因为对于直径约小于0.1mm的光斑，人眼看起来好像是一个点，所以若在透镜后加光阑，使光束在屏上生成的光斑直径小于0.1mm，它们生成的像点可以认为是清晰的。如果在O点前后一段距离dx内,物体上各点在屏上生成的像都可以认为是清晰的,则物空间内这一段距离dx—景深。像空间内相应的距离---焦深显然，光束越细—景深越长;光阑越大—景深越短例2.1-1两个薄透镜L1、L2的孔径为4.0cm，L1为凹透镜L2为凸透镜，它们的焦距分别为8cm和6cm，镜间距离为3cm，光线平行于光轴入射。求系统的孔径光阑、入瞳和出瞳及视场光阑。解：首先将L1和L2分别对其前面光学系统成像，L1对其前面光学系统的像就是他本身，而L2经其前面光学系统即L1所成的像，ssfsfss即L1的右侧2.2cm处，高2.9cm的缩小虚象L’2因为平行光入射,L’2的孔径较L1小,所以L2既是孔径光阑又是出瞳，L’2为入瞳;又因为L1对入瞳L’2的中心张角比L’2对自身中心的张角小，所以L1为视场光阑。cm9.2cm0.471.071.032.2cm,2.283)8)(3(yysCH2-2像差aberration非近轴、宽光束成像单色光形成的像差称为单色像差，包括球差、彗差、像散、像场弯曲、畸变；复色光形成的像差称为色像差，简称色差。1.球差轴上物点发出的宽光束经薄透镜后不再交于一点，无论屏在何处都将出现弥散斑，这现象称为球面像差，简称球差。一、单色像差实际的光学系统的成像条件不满足理想成像的要求，点物形成一弥散斑，物体不能生成清晰的像，或者所成的像与原物不相似，这种偏离理想成像的现象称为像差。以上所述的像差若是根据几何光学理论进行讨论的，则称为几何像差；若根据波动理论进行讨论的，则称为波像差。PP’P”SS'L球差的产生是由于透镜不同环带折光能力不同，入射到不同环带上的光线折射后不再交于一点所致。sss度量球差大小：0s会聚透镜0s发散透镜球差的消除方法：限制成像透镜的通光孔径，以使所有成像光线满足傍轴条件；改变透镜表面形状，即将球面改为非球面，以保证出射光束中的远轴光线与傍轴光线能够会聚到轴上同一点；改变前后两个球面的曲率半径比值，使球差得到最大限度减小；PP’P”SS'LPP’P”SS'L对于给定孔径、焦距和折射率的正单透镜，当对无限远处轴上物点成像时，若满足条件，则所成像的球差最小.由于此时|r1|/|r2|1，故最简单的方法是将透镜表面较凸的一侧迎着光。利用凸透镜与凹透镜球差正负相反的特点，将不同材料的正负透镜按照适当的参数胶合在一起，构成一个复合透镜，可使得某一高度光线的球差得到消除。这种复合透镜叫做消球差透镜。说明：消球差透镜只针对轴上某一确定物点或某一高度的远轴光线，不可能对所有轴上物点或所有高度的远轴光线都适用，但可以使剩余球差比单个透镜减小许多。2.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，而在高斯像面上形成彗星状弥散斑。QPQQPO注意：球差和彗差往往同时存在，消除球差后才明显观察到彗差。uynunysinsin——阿贝正弦条件已消除球差后，傍轴物点宽光束成像的条件：3.像散远离轴上物点发出的窄光束经透镜后不再交于一点平面物的像散成像平面物弧矢像面子午像面满足上述条件的一对共轭点能够消除彗差。4.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一个平面，对较大物面，像面不是平面而是曲面—场曲L物平面MCS(a)场曲的特征SCMDL(b)场曲的矫正说明：单个透镜的场曲可通过在透镜前适当位置上放置一小孔屏来矫正，但像散需要通过复杂的透镜组来矫正。5.畸变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。(a)物(c)桶形畸变像(b)枕形畸变像消畸变透镜组特点：畸变并不破坏光束的同心性，因而也不影响像的清晰度，只影响像和物的几何相似性。畸变使物体变形,所以对于测量仪器的影响特别大,绘制地图所用的航空摄像镜头就要求尽量矫正这类像差.消除或矫正畸变的有效方法：在适当位置加小孔屏或利用对称透镜组。根据各部分放大率的不同：桶形畸变、枕形畸变色（像）差：由光学介质的色散所引起的几何像差轴向（位置）色差：成像透镜对不同波长的色光具有不同的焦距横向（放大率）色差：不同波长的色光具有不同的横向放大率紫色像红色像二.色差说明：①色差是折射光学系统的固有缺陷。只有完全的反射系统，才是一个无像差成像系统。几乎所有的折射型光学材料都具有不同程度的色散特性，因而由同一物点发出的不同波长的同心光束，即使在系统的所有几何像差都已完全消除的情况下，也不能经透镜会聚于同一点。横向放大率色差的矫正：两块由同一材料制成的透镜且相距一定间隔：②单个透镜的色差无法消除。但如果将两块由不同材料制成的正负透镜按一定球面及折光参数胶合在一起，则该胶合透镜可实现对两种特定波长的光消色差。消色差系统：色差得到矫正的光学系统。一般只能对两种不同颜色的光有相同的成像位置。复消色差系统：能使三种颜色的光同时实现消色差的系统。超消色差系统：能使四种颜色的光同时实现消色差的系统。消色差透镜CH2-3人眼的光学系统opticalsystemofhuman’seyes眼睛与照相机类似，由两大部分组成：A光学成像系统;B感光认知系统一.人眼的构造人眼是一个直径约为25mm的球状体，眼球最外层是白色不透明的巩膜。其前部略凸出的透明部分称为角膜，其曲率半径约为8mm。眼球内壁后部的网膜是眼的成像膜，称为视网膜。视网膜上面大量分布着两类不同的感光细胞。两类感受光的细胞：杆状细胞(弱光)和锥状细胞(强光)视网膜的中部有一个直径为2.5－3mm的区域叫黄斑，其中心有一直径0.25mm的凹部叫中央凹。(这是视觉最敏感区)视神经出口区域无感受器—盲点，由于眼球不断转动,盲点几乎无影响。人眼成像:空气-角膜、水状液-晶状体、晶状体-玻璃体三个界面的折射成像单球面折射系统mm7.5r33.1,00.1nn17.1mm,22.8mm58.48DffⅠ.在视网膜上成倒立的像，感觉正立是神经系统的校正Ⅱ.瞳孔2-8mm，可变光阑，调节入射光强弱Ⅲ.睫状肌改变晶状体曲率--调焦二.简化眼模型C共轴光具组——只有一个折射球面的简化眼。其结构参数如下：眼的调节：视网膜的位置是固定的，为了使距离不同的物体都能在视网膜上形成清晰的像，必须改变眼睛焦距，这一过程称～。眼睛的远点：为看清远处的物体，睫状肌要松弛，使焦距增大。当睫状肌完全松弛时，眼睛能够看清的最远点。正常人的远点在无穷远。眼睛的近点：为看清近处的物体，睫状肌要收缩，使焦距变小。当睫状肌最大限度的收缩时，人眼能清楚地看到的最近的点。通常人眼的近点在10～15cm左右。三.人眼的调节明视距离:25cm。这样既能看得较为清晰，眼睛又不容易疲劳.近视眼—眼球过长,当睫状肌完全松弛时,无穷远物体成像在视网膜的前方,即它的远点不在无穷远处,而在有限远位置.远视眼—眼球过短,无限远物体成像在视网膜的后方,近点一般比正常眼要远,超过明视距离25cm.散光—角膜不是一个球面，而是具有两个对称平面的椭球面。晶状体的两个表面有时也是长轴和短轴的椭球面。(1)矫正近视眼：使用凹透镜，使无限远处的物体成虚像于其远点上，再由眼球成像于视网膜上。(2)矫正远视眼：使用凸透镜，使明视距离处的物体成像于它的近点上，再由眼球成像于视网膜上。(3)矫正散光眼：角膜的缺陷可能造成眼睛在一个平面(例如垂直平面)内折射比另一平面(例如水平面)内大,导致眼睛所看到的物像失真--柱面镜矫正。例题1：试问近点为1米的远视眼，需配怎样的眼镜？mcms25.025ms0.1'ssf1'1'11325.010.11m度300所配眼镜为300度的凸透镜。解：所配眼镜应能将明视距离25cm处的物体成像于它的近点上,故：例题2：某人看不清0.5米以外的物体，需配多少度的眼镜？解：此人为近视眼，远点在0.5米处。配镜应使无限远处的物体成虚像于它的远点处，则Sms5.0'ssf1'1'11215.01m度200即应配200度的凹透镜。四.视见函数单位时间内光通过某面元的各种波长的总电磁辐射，称为通过该面元的辐射通量。人眼对光的亮暗感觉光的辐射通量与光的波长都有关。人眼的视觉敏感范围：390—760nm注意：光照充足的条件下，人眼对550nm左右的黄绿光最敏感；光照弱条件下，对510nm左右的蓝绿光最敏感。所以在夜色朦胧之夜，我们总感到周围世界笼罩了一层蓝绿的色彩。◆用逐阶比较方法可以精确地判断