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应用光学-第五章2006

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应用光学试题第五章光度学和色度学基础一、填空题（建议每空1分）I级I级1空（建议每空1分）1、在国际单位制中，光学量的单位是__________ 。

发光强度2、朗伯辐射体又称为___________辐射体。

余弓玄3、点光源在某一方向在单位立体角内发出的光通量称为_______ 。

发光强度4、点周围全部立体角的大小为__________ o4兀5、单位受照面积所接收的光通量被称为光______ -照度6、光源投射到某方向上单位面积、单位立体角内的光通量称为发光______ o亮度7、光源每瓦功率发出的光通量，称为该光源的________ o发光效率8、若1 itf面积接收的光通量是31m,则该受照面积上的光照度值是___ 勒克斯。

39、正常人眼能承受的光亮度约为________ c d/m\1000010、正常情况下，读书时所需要的光照度大约为_______ 1X05011、在暗视觉的情况下，人眼最敏感的光的波长要比明视觉时要_______ O长12、在明视觉时，相同功率的蓝光与黄光，人会感觉_______ 的功率更大。

黄光13、透射光学材料主要分为三大类，即光学晶体、光学塑料和光学_______ 。

玻璃14、无色光学玻璃可以分为冕牌玻璃和______ -火石玻璃15＞表达式v=（n D-l）/ （（nF-nc）描述的是光学玻璃在可见光波段的常数。

阿贝16、阿贝常数通常被用来表示光学材料的_______ 特性。

色散17、在表示可见光波段的F、D、C谱线中，用来校正单色光像差的谱线是光。

D18、通常情况下，冕牌玻璃的阿贝常数要____ （高/低）于火石玻璃的阿贝常数。

高19、朗伯辐射体是指在各方向的发光______ 相同的辐射体。

亮度20.平方反比定律表面，当用点光源垂直照明时，受光面的光照度与光源的发光强度成_______ O正比21、探照灯可以使沿轴线方向的发光______ 得以成千倍的增加，从而提高照明效果。

应用光学 第五章

应用光学 第五章

5）入瞳、孔阑、出瞳之间的相互共轭关系。 6）光学特性： 相对孔径 D f （望远、照相系统）： 入射光瞳直径D和整个系统焦距f′之比称为该系统的相对孔径 。 数值孔径NA（显微系统）： 当物体在很近的距离时，常用物方孔径角正弦和物空间介质折 射率乘积来取代相对孔径，称为数值孔径，即
NA n 1 sin U 1
z 1 2
p1 p p1
, z 2 2
p p2 p2
pz 1 2 a z1
p1
2 ap 2 a z1
, p2
2 ap 2a z2
1 p1 p
, 2 p p2
pz
2
2a z2
3. 正确透视条件：（正确透视距离下看照片） 1）像方：景象平面上的斑点对人眼张角不超过人眼极限分辨角ε , ε 取1′～2′； 2）物方：对准面上的斑点对入瞳中心张角不超过人眼极限分辨角 ε ，Z1=Z2=p ε ；
§ 5－3 视场光阑
视场光阑通过前面光组在光学系统的物空间所成的像称为入射窗。 视场光阑通过后面光组在光学系统的像空间所成的像称为出射窗。 1.作用：限制物、像面上的成像范围。 2.视场表示方法： 物方线视场2y 长度度量： 像方线视场2y′
角度度量：
物方视场角2ω
像方线视场2ω ′
3.确定视场光阑的方法：
例：有一光学系统，透镜O1、O2的口径D1=D2=50mm，焦 距f1′= f2′=150mm，两透镜间隔为300mm，并在中间置 一光孔O3，口径D3=20mm，透镜O2右侧150mm处再置一光 孔O4，口径D4=40mm，平面物体处于透镜O1左侧150mm处。 求该系统的孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、 出窗的位置和大小。

应光习题库(第五章)

应光习题库(第五章)

光谱线（ 546.1nm）的折射率为 1.6245，利用柯西公式 n a b 求出的对钠 2
光谱线（ 589.3nm ）的折射率为
。（保留到小数点后 4 位）
1.6176 6、某种光学玻璃对 400nm 光波的折射率为 1.63，对 500nm光波的折射率
为
1.58，假定柯西公式 n a b 2
、
、。
40lx, 10lx, 4.4lx
2、发光强度为 100cd 的白炽灯泡照射在墙壁上，墙壁和光线照射方向距离为 3m，
则与光线照射方向相垂直的墙壁上光照度为
，若墙壁的漫反射系数为
0.7，则墙面上的光出射度为
，墙壁的光亮度值为
。（保留到小
数点后 2 位）
11.11lx, 7.77lx, 2.48cd/m2 3、一个氦氖 激光器 ，发射波长为 6.328 ×10-7m 的激光束， 光谱光视效率
lx。
50
11、在暗视觉的情况下，人眼最敏感的光的波长要比明视觉时要
。
长
12、在明视觉时，相同功率的蓝光与黄光，人会感觉 黄光
的功率更大。
13、透射光学材料主要分为三大类，即光学晶体、光学塑料和光学
。
玻璃
14、无色光学玻璃可以分为冕牌玻璃和
。
火石玻璃
15、表达式 ν=(nD-1)/ ((nF-nC)描述的是光学玻璃在可见光波段的 阿贝
的辐通量是
，如果射在一个屏幕上，则屏幕上一分钟所接收的辐射能
为
。（保留到小数点后 2 位）
15.13W, 907.76J 5、已知一个 6V、15W 的钨丝灯泡发光效率为 14lm/W，该灯泡与一聚光镜联用， 灯丝中心对聚光镜所张的孔径角 u≈sinU=0.25，若灯丝可看做是各向均匀发光的

《应用光学》总结

《应用光学》总结
2 Applied Optics
1 1 1 1 n( - ) = n' ( - ) = Q r l r l'
阿贝不变量,用Q表示.说明一折射球面的物空间 和像空间的Q值是相等的
n' - n n' u' - nu = h r
近轴光经球面折射前,后的u和u′ 角的关系
3
Applied Optics
折射球面物,像位置l和l′ 之间的关系,称为单个☆ 折射球面的物像位置公式.
自备铅笔,作图题一律用铅笔作答! 自备铅笔,作图题一律用铅笔作答! 试卷用黑色钢笔或签字笔作答! 试卷用黑色钢笔或签字笔作答
18
Applied Optics
《应用光学》答疑时间安排
时间:1月14日晚上 日晚上7:00-9:00 时间: 月 日晚上 地点:科研楼313信息光学教研室 地点:科研楼 信息光学教研室
16
Applied Optics
第八章 像差 七种像差的形成原因,表现形式,对成像的影响. 如何减小像差(球差,慧差等) 系统分辨率
17
Applied Optics
考试类型
填空( 填空(约38分) 分 简答题( 简答题(约16分) 分 作图题( 理想光学系统成像,平面镜棱 作图题(约18分,理想光学系统成像 平面镜棱 分 理想光学系统成像 镜系统成像方向,棱镜的选择 棱镜的选择) 镜系统成像方向,棱镜的选择) 折射球面焦距, 证明或计算题 (约28分,折射球面焦距,成像 约 分 折射球面焦距 成像; 双光组组合的焦点位置,焦距 主点位置;望远镜 焦距,主点位置 双光组组合的焦点位置 焦距 主点位置 望远镜 视放大率,显微镜 孔径光阑,视场光阑的确定 显微镜;孔径光阑 视放大率 显微镜 孔径光阑 视场光阑的确定)

应用光学(第五章)

应用光学(第五章)

二、光出射度和光照度
用光出射度M来表示A点处的发光强弱 指发光表面单位面积内所发出的光通量，它 与辐（射）出射度相对应

当发光表面均匀发光时，其光出射度为 S 反之，当某一表面被发光体照明，用光照度E 来表示被照明表面A处的照明强弱 d E dS 在均匀照明情况下

d M dS
光度学中的基本量
一、发光强度和光通量 发光强度是光度学中最基本量之一，与辐射度学中 的辐射强度相对应。 辐射体的辐射波长为λ 的单色光，在眼睛观察的方 向上的辐射强度为Ie，眼瞳孔对辐射体所张的立体角 为dΩ ，则眼睛接受到的辐射通量为
de I e d

眼睛的视觉强度与辐射通量dΦ e和视见函数V(λ )成 d C V ( ) de 正比 这就表示该辐射所产生的视觉强度（ dΦ ）。
视见函数 • 把人眼对黄光的视觉灵敏度作为基准，其它色 光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度相比，得 出各种色光的相对视觉灵敏度，称为视见函数 ，用V(λ)表示。 把人眼最灵敏波长（λ=555nm）的视见函数规定 为1，即V(555)=1 V(λ)≤1 不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差别
M

E
S
光照度表示被照明的表面单位面积上
所接收的光通量。 它与辐射度学中的辐（射）照度相对 应。 它们的单位为勒克斯（lx）。 1lx等于1m2面积上发出或接收1lm的 光能量，即： 2
1lx 1lm / m
三、光亮度
前面所讲的概念并不能表
I N
dΩ α O
示发光面不同方向的发光 特性。 用光亮度来表示发光表面 不同位置和不同方向的发 光特性。 在该方向上单位投影面积 的发光强度。 I I

应用光学第五章

应用光学第五章
现象叫透视失真。 S1 对准 平面 S2 A 图（a ） P0
入瞳 出瞳
景像 平面
S1 A S2 S1
对准 平面 S2
入瞳
出瞳
景像 平面
P0
A
图（b）
P
P
A S1 (S2 )
' ' 如上图所示，同样的景物在图（a）中 s1 是分开的，而图（b）中由于入射光瞳位置的变 和s2
' ' 化，s1 重合在一起 和s2
制系统像方空间中到达像点的光束的孔径角。简称出瞳。
出瞳 孔阑 入瞳A1源自A2A 2 A
1
5.2光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳
判断入瞳、出瞳的方法： 将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对其前（后）面的光学系统成 像到系统的物（像）空间去，并根据各像的位置及大小求出它们对轴上物（像） 点的张角，其中张角最小者为入瞳（出瞳）。
5.6远心光路
在测量显微镜中，分划板(场阑)与物镜固定以保证设计的放大倍率。孔阑设置为 物镜框，调焦不准，像面与分划板不重合，产生测量误差。
场阑 孔 物 阑 镜
B B1
A C C1 A C
C1
y y 1
B
B1
5.6远心光路
1.物方远心光路
为减小测量误差，将孔阑设置在物镜的像方焦平面上，主光线平行光轴入射，不同位置物点 的出射主光线方向不变。尽管成像光束在分划板上为一弥散斑，但其中心位置不变，故不会 产生测量误差。
P 1 P 1 2a
z2
A
P P
P2
A
B1 p 1 p p 2 z 1
z2
B2
P 2
1
2
-p -p1

应用光学0510-8

应用光学0510-8
f′
物方视场角: 入窗边缘对入瞳中心的张角. 当物体在无限远时,常用视场角表示系统的视场,以2ω表示. 当物体在有限远时,常用物高表示视场,称为线视场, 以2y表示. 像方视场角: 出窗边缘对出瞳中心的张角.
§5-7 光学系统的景深(——可成清晰像的范围) 一,光学系统的空间像 以前研究共轭像,一个物点对应一个像点,一个物面对应一个像面. 如放映物镜及照相制版物镜. 实际中是空间物成像,立体——平面,如望远镜,照相物镜. 把空间一定范围内的物体成像在一个平面上, 称为平面上的空间 像(投影像) . 对准平面与景像平面共轭. (景像平面的共轭面称为对准平面) . (1) p, p′ 为透视中心(投影中心) . (2)主光线为投影线 (3)投影在物平面上. ′ (4)再成像在景像平面上 B1′ → B0
P ( q) .2a q q p ∴ B1 B3 = 2a q B1 B3 =
当 q=p 时,则 B1B3 =0 即 B1B3 渐晕区为零,物面上 AB1 内无渐晕,相当于入窗在物平面上, 出射窗与像面重合,像面上有清晰的边界.
讨论:1)系统没有渐晕光阑,只有视场光阑;B1 点以外对成像无贡 献. 2)系统内的光阑通过光组成像在物面上,通过后面光组成像 在像面上. 3)入窗不与物面重合(q≠p) ,就存在渐晕,存在 B1 点以外 的轴外光束参与成像. 分析: 视场光阑在像平面无渐晕时, (1) 视场光阑严格限制视场大小; (2)有视场光阑,但也有渐晕光阑,必先确定渐晕大小,再确 定相应视场; (3)没有视场光阑,渐晕光阑限制视场,但亦先确定渐晕,再 确定相应视场.
五,消杂光光阑 杂光:非成像物点射入系统的光束,由折射面或由仪器内壁反射等产 生的光束. 危害:使系统像面产生明亮的背景. 降低像的衬度,影响像质. 消杂光光阑:光学系统中限制杂散光的光阑. 实现消杂光的一般方法:镜筒内壁加工螺纹并涂黑色无光漆或煮黑. (吸收,遮挡光) §5-2,光学系统的孔径光阑,入射光瞳,出射光瞳 一,孔径光阑,入瞳,出瞳(最主要的光阑,每个光学系统均具有) . 孔径光阑:限制轴上物点成像光束的光阑,限定光束孔径角 U. 入射光瞳:孔径光阑被其前面所有光学元件向(光学系统的)物空间 所成的像. 出射光瞳:孔径光阑被其后面所有光学元件向(光学系统的)像空间 所成的像. 因此: (1)孔径光阑,入瞳,出瞳,三种互为共轭. (2)入瞳在物空间限制了轴上物点的入射光束孔径.出瞳在像 空间限制了轴上物点的出射光束孔径. 例图:P110,图 5-5 推论:若孔径光阑在整个系统的像空间,其本身就是出射光瞳; 若孔径光阑在整个系统的物空间,其本身就是入射光瞳;

应用光学课件

应用光学课件
KD = Dω D S KS = ω S
应用光学讲稿
给渐晕的原因 1. 为了减小元件的口径 2. 为了去处某些像差较大 的光线
在某些望远镜中，渐晕系数可以达到 在某些望远镜中，渐晕系数可以达到0.5 孔径光阑： 孔径光阑：限制轴上点或视场中央部分 无渐晕）成像光束口径的光阑。 （无渐晕）成像光束口径的光阑。
10 （1） tg ω = ，所以 240
（2）
1 ω = arctg 即为物方视角。 24
1 ω ′ = arctg 即为像方视角。 3
10 tg ω ′ = ，所以 30
（3）出瞳是孔径光阑在系统像空间所成的像，对目镜来说：
l = −240 mm − 30 mm = − 270 mm
应用光学讲稿
引入
F
H
H’
F’
应用光学讲稿
问题: 透镜口径与什么有关？ 1. 成像光束的大小
D
2. 成像光束的位置
D1 D2
应用光学讲稿
本章要解决的问题： 本章要解决的问题：
如何选择成像光束的位置 选择成像光束的原则 限制光束的方法
应用光学讲稿
§5-1 光阑及其作用 一 照相机的构造 镜头： 镜头：起成像作用 底片： 底片：感光部分 光阑：限制成像光束， 光阑：限制成像光束，可 变光阑 光学系统中， 光学系统中，不论是限制成像光束口径大小还是 限制成像范围的孔或框都称为“光阑” 限制成像范围的孔或框都称为“光阑”。
应用光学讲稿
出瞳：是光能最集中的地方， 出瞳：是光能最集中的地方，为了看清整个视场 眼睛的瞳孔应该和出瞳重合。 ，眼睛的瞳孔应该和出瞳重合。 对出瞳距离必须有一定的要求，一般仪器大于6毫米， 对出瞳距离必须有一定的要求，一般仪器大于 毫米， 毫米 对于军用仪器，要大一些，可能大于20毫米 毫米。 对于军用仪器，要大一些，可能大于 毫米。 出瞳直径的大小，直接与像的亮暗有关 出瞳直径的大小， 问题：是否出瞳直径越大越好，出瞳距离越长越好？ 问题：是否出瞳直径越大越好，出瞳距离越长越好？

应用光学第五章光度学

应用光学第五章光度学

光在同一介质中传播，忽略散射及吸收，则在传播中的任 一截面上，光通量与亮度不变。光束的亮度就是光源的亮度
d1 d2
L1 L2
折射情形 dA位于n1介质内。入射光束的光亮度L1，在O点附近 取一微元dA，则过dA输出的光通量：
d1 L1dAcos I1d1 L1dAcos I1 sin I1dI1d
Ω
r dΦ

光出射度－光源上不同位置的发光特性
• 用单位面积所发射的光通量描写光源上某点的发光本领 • M＝dΦ/ds，面光源上A附近的面积元ds辐射的光通量 • 单位：勒克斯，1lx=1lm/m2 dΦ A ds
透射面或反射面接受光通量，又可作为二次光源发出光 通量。M= ρE，ρ为透射率或反射率，与波长有关，因而物体呈 现彩色 。 对所有波长ρ 趋于0的物体，黑体
n1 sin I1 n2 sin I 2 n1 cos I1dI1 n2 cos I 2 dI2
L2 n 2 2 L1 n1

2
L2 L1 2 2 n2 n1
当光线处于同一介质，同前L2＝L1
反射情形，L2＝L1 综上，光束在均匀介质中传播，或在两种介质分界面 上的反射时的光亮度变化，都看成折射时的特例
dΦ=683VλdΦe=683×0.24×10×10-3=1.6152流明
d Ω=πθ2=3.14× (10-3)2 L=dΦ/（ds· dΩ)=6.553×107st L太阳＝1.5×105st LHe-Ne=440L太阳 “勿对着眼睛照射” “激光致盲武器”
§5.2朗伯余弦定律及朗伯源

发光强度空间分布可用式Iθ＝ INcosθ表示的的发光表面 只有绝对黑体是理想的余弦 辐射体，具有粗糙表面的发 光体与余弦发光体接近 对朗伯源，发光强度向量Iθ端 点轨迹是一个与发光面相切 的球面 余弦辐射体在和法线成任意 I I cos I L n n Const dA cos dA cos dA 角度方向的光亮度 朗伯源的光亮度Lθ与方向无关，只是I随θ变化而变化

物理光学与应用光学第二版课件第五章

物理光学与应用光学第二版课件第五章

由此得到感应折射率椭球的三个主折射率为
n
' 1
no
1 2
n
3 o
63
E3
n
' 2
no
1 2
n
3 o
63
E
3
n
' 3
ne
(5.1-28)
以上讨论了x3-切割晶片在外加电场E3后，光学特性(折射率) 的变化情况。下面，具体讨论两种通光方向上光传播的双折射 特性。
第 5 章 晶体的感应双折射
① 光沿x3′方向传播。在外加电场平行于x3轴(光轴)， 而光 也沿x3(x3′)轴方向传播时，对于γ63贡献的电光效应来说，叫γ63的 纵向运用。
n3 ' n2 ' n1 ' no 3 6E 3
决定，表示式为
2 (n2 ' n1 ')d2 no 36E 3 d
(5.1-29) (5.1-30)
第 5 章 晶体的感应双折射
式中， Ed恰为晶片上的外加电压U, 故上式可表示为
2
no363U
(5.1-31)
通常把这种由外加电压引起的二偏振分量间的相位差叫做“电
0 0 0
0
0
0
0
ij
41
0 0
0
0
0
41
0
0 0 63
(5.1-16)
第 5 章 晶体的感应双折射
由(5.1-14)式, 其［ΔＢi］为
B1
B
2
B
3
B 4
B
5
B 6
0
0
0
41
0
0 0
0 0 0 0

应用光学5

应用光学5

首先，将系统中所有光学零件的光孔，分别通过前面的光学零件成
像到整个系统的物空间。
第二步，由轴上点A，对各个像的边缘引直线，计算各直线与光轴夹 角的大小。 孔径光阑的性质
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的。 若物体位于无限远，此时仅比较各个像本身的大小，其口径最小者 即为入射光瞳。
yk 1 yk uktk
( yk yk 1 ) uk ( yk yk 1 ) uk
或者
uk yk uk yk uk yk 1 uk yk 1
17
( 续 2 ：)
上式左右两边同乘折射率 nk 并由(1)式，可以得到
(uk yk uk yk ) nk (uk yk 1 uk yk 1 ) Ж nk
y h光瞳 y 0
光瞳 边光线 主光线
O
(a) 边光线确定像的位置， 主光线确定像的大小
z
(b)主光线确定光阑（瞳）的位置， 边光线确定光阑（瞳）的大小
z
图5.2.2 主光线和边光线的性质
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
当边光线与光轴相交于一点时，像的位置和像平面就被确定，并 且物体所成的像的大小就被主光线在这像平面上的高度所确定。 同理，当主光线与光轴相交于一点时，孔径光阑或光瞳面所在的 位置就被确定，并且孔径光阑或光瞳的半径被边光线在这些平面上 的高度所确定。
“ 现 代 工 程 光 学 ” 课 件
线渐晕系数K是轴外物点与轴上物点在出瞳面上光束宽度之比。
以B1A为半径的圆形区，K为100%； B1B2绕光轴一周所形成的环形区域，K由100％到50％渐变； B2B3绕光轴一周所形成的环形区域，K由50％降低到零。

应用光学各章知识点归纳

应用光学各章知识点归纳

应用光学各章知识点归纳第一章几何光学基本定律与成像概念波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面,为光波波阵面的传播，与波面对应的法线束就是光束。

波前：某一瞬间波动所到达的位置。

光线的四个传播定律：11）直线传播定律：在各向冋性的均匀透明介质中，光沿直线传播，相关自然现象有：日月食，小孔成像等。

22）独立传播定律：从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响，各光线独立传播。

33）反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内，入射光线和反射光线在法线的两侧，反射角等于入射角。

44）折射定律：入射光线、法线和折射光线在同一平面内；入射光线和折射光线在法线的两侧，入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率（折射）光线的方向射到媒质表面，必定会逆着原来的入射方向反射（折射）出媒质的性质。

光程：光在介质中传播的几何路程SS和介质折射率nn的乘积。

各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。

各向异性介质：单晶体（双折射现象）马吕斯定律：光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。

全反射临界角：C=arcin全反射条件：11）光线从光密介质向光疏介质入射。

22）入射角大于临界角。

共轴光学系统：光学系统中各个光学兀件表面曲率中心在一条直线上。

物点//像点：物//像光束的交点。

实物//实像点：实际光线的汇聚点。

虚物//虚像点：由光线延长线构成的成像点。

共轭：物经过光学系统后与像的对应关系。

（AA,A"的对称性）完善成像：任何一个物点发出的全部光线，通过光学系统后，仍然聚交于同一点。

每一个物之比，即inIinIn"n简称波面。

光的传播即光路可逆：光沿着原来的反射费马原理：光总是沿光程为极小，极大，或常量的路径传播。

n2ni点都对应唯一的像点。

理想成像条件：物点和像点之间所有光线为等光程。

应用光学课件完整版

应用光学课件完整版
由一点A发出的光线经过光学系统后聚交或近似的聚 交在一点A′，则A为物点， A′为物点A通过光学系统 所成的像点。物与象之间的对应关系称为“共轭”。
一个物点，总是发出同心光束，与球面波相对应； 一个像点，理想情况应该由球面波对应的同心光束汇交 而成，称这种像点为完善像点。
3. 成完善象的条件 发光体每一物点发出球面波，通过光学系统后仍为
反射定律可表示为 I I ''
4. 光的折射定律
折射定律可归结为：入射光线、折射光线和投射点
的法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角正弦
之比与入射角大小无关，而与两介质性质有关。对一定 波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一
常数，等于折射光线所在介质的折射率与入射光线所在
介质折射率之比。
0 i arcsin n12 n2 2 n0
n0 ＝1
n0 sin i n1 cos ic n12 n22
5. 费马原理（光程极值原理）
1）光程— 光在介质中经过的几何路程l与该介质折射率n的乘积。
s=n • l
均匀介质
m层均匀介质
连续变化的非均匀介质
s=n • l=c • t
m
s
波面可分为：平面波、球面波、任意曲面波。 波面法线方向即为光传播方向。
光源
光线
波面
5. 光束— 与波面对应的法线集合。
同心光束— 波面为球面，聚于一点。 发散光束— 光线在前进方向上无相交趋势。 会聚光束— 光线在前进方向上有相交趋势。
平行光束— 波面为平面。 象散光束— 波面为曲面，不聚于一点。
1. 共轴球面系统的结构参量： 各球面半径：r1 、 r2 …… rk-1 、 rk 相邻球面顶点间隔：d1 、 d2 …… dk-1 各球面间介质折射率：n1 、 n2 …… nk-1 、 nk n 、 k+1

应用光学

应用光学

第一章 几何光学的基本定律§ 1-1 发光点、波面、光线、光束 返回本章要点 发光点 ---- 本身发光或被照明的物点。

既无大小又无体积但能辐射能量的几何点。

对于光学系统来说， 把一个物体看成由许多物点组成，把这些物点都看成几何点 ( 发光点 ) 。

把不论多大的物体均看作许多 几何点组成。

研究每一个几何点的成像。

进而得到物体的成像规律。

当然这种点是不存在的，是简化了的概念。

一个实际的光源总有一定大小才能携带能量，但在计算时，一 个光源按其大小与作用距离相比很小便可认为是几何点。

今后如需回到光的本质的讨论将特别指出。

波面 --- 发光点在某一时刻发出的光形成波面 如果周围是各向同性均匀介质，将形成以发光点为中心的球面波或平面波 第二章 球面和球面系统§ 2-1 什么是球面系统？由球面组成的系统称为球面系统。

包括折射球面和反射球面反射面：n ' =-n.平面是半径为无穷大的球面，故讨论球面系统具有普遍意义折射系统折反系统§ 2-2 概念与符号规则•概念① 子午平面 —— 包含光轴的平面② 截距：物方截距 —— 物方光线与光轴的交点到顶点的距离像方截距 —— 像方光线与光轴的交点到顶点的距离③ 倾斜角：物方倾斜角 —— 物方光线与光轴的夹角像方倾斜角 —— 像方光线与光轴的夹角返回本章要点•符号规则返回本章要点因为分界面有左右、球面有凹凸、交点可能在光轴上或下，为使推导的公式具有普遍性，参量具有确切意 义，规定下列规则：a. 光线传播方向：从左向右b. 线段：沿轴线段 ( L,L',r ) 以顶点 O 为基准，左“ - ”右“ + ” 垂轴线段 ( h ) 以光轴为准，上“ + ”下“ - ” 间隔 d(O1O2) 以前一个面为基准，左“ - ”右“ + ” c. 角度：光轴与光线组成角度 ( U,U' ) 以光轴为起始边，以锐角方向转到光线，顺时针“ + ”逆时针“ - ”光线与法线组成角度 ( I,I' ) 以光线为起始边，以锐角方向转到法线，顺“ + ”逆“ - ”光轴与法线组成角度 ( φ ) 以光轴为起始边，以锐角方向转到法线，顺“ + ”逆“ - ”§ 2-3 折射球面返回本章要点•由折射球面的入射光线求出射光线已知： r, n, n',L, U 求： L', U'，由 以上几个公式可得出 L' 是 U 的 函数这一结论， 不同 U 的光线经 折射后不能相交于一点点－》斑，不完善成像•近轴光线经折射球面折射并成像.1 ．近轴光线：与光轴很靠近的光线，即 -U 很小 ， sin(-U) ≈ -U ，此时用小写：sin(-U)= - usinI=iL=l 返回本章要点近轴光线所在的区域叫近轴区2 ．对近轴光，已知入射光线求折射球面的出射光线：即由 l , u —> l ',u' , 以上公式组变为：当 u 改变时， l ' 不变！点 —— 》点，完善成像 此时 A ， A' 互为物像，称共轭点近轴光所成像称为高斯像，仅考虑近轴光的光学叫高斯光学返回本章要点近轴光线经折射球面计算的其他形式（为计算方便，根据不同情况可使用不同公式）利用：可导出返回本章要点4 ．（近轴区）折射球面的光焦度，焦点和焦距可见，当（ n'-n )/r 一定时， l ' 仅与 l 有关。

第五章光学系统中成像光束_应用光学

第五章光学系统中成像光束_应用光学
1 1 1 l' l f'
Z ' l 2 'l ' D l2 '
1 1 1 l1 ' l1 f'
l1' l ' 1 1 ' l l2 l1l '
Z ' 1 1 l' D l1 l
1 1 ' l 'l l l l1l ' 1
讨论两个实际光学仪器—— 双目望远镜 周视瞄准镜
应用光学讲稿 一 双目望远镜 由一个物镜，两个棱镜，一个分划镜和一组目镜构成。 光学性能： 视放大率：Γ =6× 出射光束口径：D'=5mm 2 8 30' 成像范围（视场角）： 出瞳距离：lz'≥11mm 物镜焦距：f物'=108mm 目镜焦距：f目'＝18mm
应用光学讲稿 二、应用举例：
O1
物镜 -L 场镜 L´
O2
目镜
三、场镜焦距的计算 问题： 场镜有可能是负透镜吗？
应用光学讲稿
第五节 空间物体成像的清晰程度：景深
一、景深的定义 能够在像面上获得清晰像的物空间深度 B2´ Z
B1
A B2 -l -l2 A1´ B1´
A1
A2 -l2
A´ Z´
A2´
' 1
1 1 Z ' 1 1 l1 l D l f '
1 1 Z' 1 1 l2 l D l f '
1 1 2Z ' 1 1 l2 l2 D l f '
应用光学讲稿 景深的性质 1．容许的光斑直径越大，景深越大。 2．照相物镜的相对孔径和焦距与景深的关系。对照相物镜来说， 物距l一般比焦距大得多

应用光学 第五章 光度学

应用光学 第五章 光度学

平方反比定律
实际应用的光照度公式

光源大小与距离l比较起来不大的情况，适用


单位：cd,m,lx;cd,cm,ph
测量光源的发光强度
光照度计

面光源的光照度
dAs光源的发光面积，光源亮度L，在距离为r的dA平面上 形成的光照度E d LdA cos d
s 1
dΩ为dA对O点所张立体角
1/ 2
2
L sin u
2
E 0 ' L (
n' n
) sin
2
2
u'
(
n' n
) sin
2
2
u'
1

2
sin
2
u

n sin u n ' sin u '
阿贝正弦条件
轴外点
轴外像点M’的主光线和光轴间的夹角ω’
轴外点M的象方视场角 U’M轴外点的象方孔径角 当物面亮度均匀时，
EM ' n' n
A1
A2

dS1输入到dS2内的光通量为dΦ1
d 1 L1 cos 1 dS 1 d 1 L1 cos 1 dS 1

dS
2
cos 2 l
2
从dS2射出的dΦ2
d 2 L 2 cos 2 dS 2 d 2 L 2 cos 2 dS dS 1 cos 1
n1 sin I 1 n 2 sin I 2 n1 cos I 1 dI 1 n 2 cos I 2 dI 2
L2 L1


n2 n1
2 2

应用光学5

应用光学5

Q
Q’
F
N
（1）辅助物AB
（2）由B作 BQ // 光轴 （5）BH
（3）QQ’ （6）H’NΒιβλιοθήκη （4）由Q’作直线过F ’
（7）反向延长H’N，于Q’F ’交于B’ （8）由B’作直线垂线于光轴交点即是A’
求像的位置
A’ A F H H’ F’
求物的位置
B’ B F’ H H’ A F A’
P
F H’ H F’
光学系统的基本模型
物方焦距
物方主点
像方主点
像方焦距
F
-f
H
H’
f’
F’
物方主平面 像方主平面
可供选择的典型光线和可供利用的性质有：
（1）平行于光轴入射的光线，经过系统后过 像方焦点。
Q
Q
H
H’
F’
（2）过物方焦点的光线，经过系统后平行于光轴。
F
H
H’
Q
Q
（3）倾斜于光轴的平行光线，经过系统后交于 像方焦平面上某一点。
（二）负光组轴上点作图★
方法1： （2）辅助焦平面 Q Q’ （3）延长AQ到N （4）NR F’ H H’ A F （5）RR’（主面上投射高 A’ 度相等） （6）R’F ’ （7）QQ’ （8）Q’A’//R’F ’（物方焦平面一点发出的光线过光 组后平行射出）
R R’
（1）AQ
N
方法2：
H
-w
H’
F'
（4）自物方焦平面上一点发出的光束 经系统后成倾斜于光轴的平行光束。
H
F
H’
（5）共轭光线在主平面上的投射高度相等， 即一对主平面的横向放大率为＋1。
（6）光轴上的物点其像必在光轴上。 （7）过主点光线方向不变。

应用光学-第五章2006

应用光学-第五章2006

制成像光束的光孔称为光阑。
• 有些光孔的大小是可变化的，这种 光阑称为“可变光阑”
2013-7-18
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4
光阑在光学系统中的作用：
• 决定像面的照度。 • 决定系统的视场。
• 限制光束中偏离理想位置的一些 光线，用以改善系统的成像质量 • 拦截系统中有害的杂散光。 • 光阑是实际光学系统成满意（完善） 像必不可少的零件。
2
§5-1 光阑及其作用
• 由一点发出能进入透镜或光学系统的光束， 其立体角大小决定于透镜的直径
• 装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就 是限制光束的光孔，这个光孔对光学零件来 说被称为“通光孔径”
2013-7-18
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3
• 光阑的定义：
• 夹持光学零件的金属框（透镜框、 棱镜框）或者人为设置的装置限制 了成像光束的大小，光学中这种限
• 如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光 阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔 所限制。
• 在上例中，若物距l1 = -100mm，此时光学系统的孔径光阑 为哪一个？
2013-7-18
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2013-7-18
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31
• 对于无限远的物体，光学系统的所有光孔被其前 面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的 一个光孔像就是系统的入瞳。
第五章
光学系统中成像光束 的选择
2013-7-18
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1
• 组成光学系统的所有零件都有一定的 尺寸大小 • 前面的研究没有对光学零件的大小加以 限制 • 实际的光学系统除了应满足前述的物象 共轭位置关系和成像放大率的要求外， 还要有一定的成像范围
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•
2011-3-18
•
杂光光阑 光光阑
• 这种光阑不限制通过光学系统中的成像光 只限制那些从非成像物体射来的光、 束，只限制那些从非成像物体射来的光、 光学系统各折射面反射的光和仪器内壁反 消杂光光阑。 射的光等，这些光阑称为消杂光光阑 射的光等，这些光阑称为消杂光光阑。
18
• 将孔径光阑 1Q Q2通过其前面的透镜成像到物空间去， 将孔径光阑Q 通过其前面的透镜成像到物空间去， 则其像P 就决定了光学系统的物方孔径角U 则其像 1PP2 就决定了光学系统的物方孔径角 。
L1
P1
L2
Q
-U -y
Q Q2
U'
y'
P
U— 物方孔径角
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孔径光阑
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P2
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Q Q2
U'
y'
P2′
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孔径光阑
U′— 像方孔径角
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• 入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是 出射光瞳
入瞳与出瞳对整个光学系统是 入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。
• 如果孔径光阑在整个光学系统的像空 那么它本身也就是出射光瞳 出射光瞳； 间，那么它本身也就是出射光瞳；
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L 1'
出射光瞳
P' P'
L1 Q
孔径光阑
L2 Q Q2 U'
A'
P'
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出瞳是物面上各点的成像光束经 系统后射出系统的公共出口。 系统后射出系统的公共出口。 26
通过入射光瞳中心的光线称为主光线 中心的光线称为 通过入射光瞳中心的光线称为主光线
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已知一光学系统由三个零件组成，透镜 其焦距 已知一光学系统由三个零件组成，透镜1其焦距 f1′= - f1 =100mm，口径 1 = 40mm；透镜 的焦距 2′= - f2 的焦距f ，口径D ；透镜2的焦距 =120mm，口径 2 = 30mm，它和透镜 之间的距离为 1 = 之间的距离为d ，口径D ，它和透镜1之间的距离为 口径为20mm，它和透镜 之间的距离 2 = 之间的距离d 20mm；光阑 口径为 ；光阑3口径为 ，它和透镜2之间的距离 30mm。物点 的位置 1 = -200mm，试确定该光组中， 的位置L 。物点A的位置 ，试确定该光组中， 哪一个光孔是孔径光阑。 哪一个光孔是孔径光阑。
• 由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光 由于共轭关系， 阑中心和出瞳中心。 阑中心和出瞳中心。
• 显然，主光线是各个物点发出的成像光束的 显然， 光束轴线。 光束轴线。
• 光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重 要性能参数之一， 表示。 要性能参数之一，用 Umax 表示。 • 它不但决定了像面的照度，而且还决定了光 它不但决定了像面的照度， 学系统分辨能力
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y2 ' l2 ' 20 β= = = = 0.8 y2 l2 25
15 y2 = = 18.75mm 0.8
• 3. 再求光阑3被前面光组所成的像 再求光阑3被前面光组所成的像。 • 必须注意：为了求得光阑3在物空间的像，要使它 必须注意：为了求得光阑3在物空间的像， 分别对透镜1 成像。 分别对透镜1、2成像。
D1 D2
例
D3
A
F1,F2
L1
2011-3-18
d1
d2
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1、图解法 、 为了使各光阑和物点A产生直接联系， 为了使各光阑和物点 产生直接联系，把它们 产生直接联系 全部成像到物空间去。 全部成像到物空间去。 D' 3
D1
D2
D2 '
D3
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由物点向各个像边缘引光线， 由物点向各个像边缘引光线，得到夹角最小者所 对应的光阑即为孔径光阑。
D’3
D’1 D’2
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2、解析法： 、解析法：
• 解：1.由于透镜1的前面没有任何光组，所以 1.由于透镜1的前面没有任何光组， 由于透镜 它本身就是在物空间的像。 它本身就是在物空间的像。
的右边， 透镜2 在透镜1的右边 要使它成像光线须自右向左， 透镜2 在透镜1的右边，要使它成像光线须自右向左， 属于反向光路。 属于反向光路。而牛顿公式和高斯公式皆由正光路 导出，符号规则也由正光路规定， 导出，符号规则也由正光路规定，不可随便用于反 光路。 光路。 方法：认为透镜 是像 求物。 是像， 方法：认为透镜2是像，求物。
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同理，求得光阑 在物空间的像 同理，求得光阑3在物空间的像
l3 = 150mm
y3 = 33.33mm
D’1 D’2 D’3
25mm 200mm
2011-3-18
150mm
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•
A对光阑D1’ ˆ?角 对 张
D1 20 tgu1 = = = 0.1 200 200
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对于不同类型的光学系统， 对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种 孔径角相应的性能参数
• 显微系统和投影系统的物镜常用nsinUmax表示， sin 表示， 被称之为数值孔径 数值孔径， 表示， 被称之为数值孔径，用NA表示，即
NA = n sin U max
2011-3-18
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• 视场： 视场： • 物平面或物空间能被光学系统成像的 最大范围称为视场 称为视场。 最大范围称为视场。 • 视场光阑 视场光 • 限制物平面或物空间能被光学系统成 像的最大范围的光阑称为视场光阑 称为视场光阑。 像的最大范围的光阑称为视场光阑。
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§5-1 光阑及其作用
• 由一点发出能进入透镜或光学系统的光束， 由一点发出能进入透镜或光学系统的光束， 其立体角大小决定于透镜的直径
• 装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就 是限制光束的光孔， 是限制光束的光孔，这个光孔对光学零件来 说被称为“通光孔径” 说被称为“通光孔径”
n — 物方空间的介质折射率。 物方空间的介质折射率。
越大， 数值孔径也越大 物方孔径角Umax越大，其数值孔径也越大 进入系统的光能越多， 进入系统的光能越多，理论分辨本领越高
• 反之，若在物空间，它就是入射光瞳 反之，若在物空间，它就是入射光瞳
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• 将光学系统中所有光学零件的通光 孔分别通过其前面的光学零件成像 到整个系统的物空间去 到整个系统的物空间去，系统的入 物空间 射光瞳必然是其中对物面中心的张 射光瞳必然是其中对物面中心的张 角为最小的一个。 角为最小的一个。 的一个
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• 孔径光阑 光阑按上述的作用分为： • 视场光阑 光阑按上述的作用分为： 视场光 • 渐晕光阑 渐晕光 • 杂光光阑 光光阑
孔径光阑：它是限制轴上物点成像光束 孔径光阑：它是限制轴上物点成像光束
立体角（锥角）的光阑。 立体角（锥角）的光阑。
也就是起到决定能通过光学系统的光能（ 也就是起到决定能通过光学系统的光能（即像 平面照度）作用的光阑。 平面照度）作用的光阑。
对于一定位置的物体而言，入瞳决定了 对于一定位置的物体而言，入瞳决定了 能进入系统成像的最大光束孔径， 能进入系统成像的最大光束孔径，且是物 面上各点发出的成像光束进入系统的公共 面上各点发出的成像光束进入系统的公共 入口； 入口；
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入射光瞳
L2’ L1 Q
P1
L2 Q Q2
A
-U
P
孔径光阑
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P2
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• 将光学系统中所有光学零件的通光 孔分别通过其后面的光学零件成像 到整个系统的像空间去 到整个系统的像空间去，系统的出 像空间 射光瞳必然是其中对像面中心的张 射光瞳必然是其中对像面中心的张 角为最小的一个。 角为最小的一个。 的一个
2011-3-18
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4
光阑在光学系统中的作用：
• 决定像面的照度。 决定像面的照度。 • 决定系统的视场。 决定系统的视场。 • 限制光束中偏离理想位置的一些 光线， 光线，用以改善系统的成像质量 • 拦截系统中有害的杂散光。 拦截系统中有害的杂散光。 • 光阑是实际光学系统成满意（完善） 光阑是实际光学系统成满意（完善） 像必不可少的零件。 像必不可少的零件。
• 孔径光阑被其前面的光组在光学系统物空 孔径光阑被其前面的光组在光学系统物空 被其前面的光组在光学系统 所成的像称为入射光瞳 简称入瞳 入射光瞳， 入瞳。 间所成的像称为入射光瞳，简称入瞳。 入射光瞳
L1
P1
L2
Q
-U -y
Q Q2
U'
y'
P
U— 物方孔径角
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孔径光阑
P2