光電成像系統(tǒng)基礎

1、中原工學院理學院 曾灝憲中原工學院光電成像系統(tǒng)基礎光電信息技術概述本章內容本章內容常用光學元件的作用常用光學元件的作用光學系統(tǒng)參數及象差光學系統(tǒng)參數及象差典型光學系統(tǒng)的組成典型光學系統(tǒng)的組成教學目的教學目的了解光電成像系統(tǒng)的作用及其基本組成和參數了解光電成像系統(tǒng)的作用及其基本組成和參數了解常用的光學元件及其作用了解常用的光學元件及其作用光學調制問題在光學調制問題在“光電電子學光電電子學”中已有詳述中已有詳述光電成像系統(tǒng)簡介發(fā)射和接收輻射通量，并把目標的輻射、反射以及散發(fā)射和接收輻射通量，并把目標的輻射、反射以及散射會聚到探測器光敏面上射會聚到探測器光敏面上來來成像的系統(tǒng)成像的系統(tǒng)本章內容：常用

2、光學元器件的作用、系統(tǒng)參數及像差、本章內容：常用光學元器件的作用、系統(tǒng)參數及像差、典型光學系統(tǒng)的組成典型光學系統(tǒng)的組成下一章內容下一章內容3.1光學元器件透鏡元器件（成像）透鏡元器件（成像）反射元器件（改變光的方向）反射元器件（改變光的方向）其它其它1.1. 正透鏡和負透鏡正透鏡和負透鏡2.2. 柱面透鏡柱面透鏡3.3. 放大鏡放大鏡4.4. 目鏡目鏡5.5. 顯微鏡顯微鏡6.6. 望遠鏡物鏡望遠鏡物鏡7.7. 攝影和投影物鏡攝影和投影物鏡8.8. 場鏡場鏡9.9. 浸沒透鏡浸沒透鏡10.10.階梯透鏡（菲涅爾透鏡）階梯透鏡（菲涅爾透鏡）1.1. 平面反射鏡平面反射鏡2.2. 球面反射鏡球面反

3、射鏡3.3. 分束元件分束元件4.4. 光錐光錐1.1. 光楔光楔2.2. 干涉濾光片干涉濾光片3.3. 偏振片偏振片一、透鏡元器件（成像）以兩個折射曲面為邊界的透明體稱為以兩個折射曲面為邊界的透明體稱為透鏡透鏡，通常多以，通常多以光學玻璃為原材料，磨制成形后將折射面拋光而成光學玻璃為原材料，磨制成形后將折射面拋光而成兩個折射面中兩個折射面中可以有一個平面可以有一個平面，但，但兩個折射面都是平兩個折射面都是平面者不能稱為透鏡面者不能稱為透鏡具有相對獨立功能的組合體稱為具有相對獨立功能的組合體稱為透鏡組透鏡組，根據用途的，根據用途的不同，它們又被賦予不同，它們又被賦予物鏡物鏡、目鏡目鏡等專門名稱

4、等專門名稱1. 正透鏡和負透鏡正透鏡具有正的像方焦距值，從而有正的光焦度，能對光束起正透鏡具有正的像方焦距值，從而有正的光焦度，能對光束起會聚會聚作用，故又稱會聚透鏡作用，故又稱會聚透鏡負透鏡具有負的光焦度，對光束起負透鏡具有負的光焦度，對光束起發(fā)散發(fā)散作用，故又稱發(fā)散透鏡作用，故又稱發(fā)散透鏡按形狀不同，正透鏡可分雙凸、平凸和月凸（或正彎月形）透按形狀不同，正透鏡可分雙凸、平凸和月凸（或正彎月形）透鏡三種形式，其共同特征是鏡三種形式，其共同特征是中心比邊緣厚中心比邊緣厚負透鏡也可分雙凹、平凹和月凹負透鏡也可分雙凹、平凹和月凹( (或負彎月形或負彎月形) )透鏡三種形式透鏡三種形式, ,其其共同

5、特征是共同特征是中心比邊緣薄中心比邊緣薄2. 柱面透鏡凡是由凡是由兩個母線互相平行的柱面，或兩個母線互相平行的柱面，或一個柱面和一個平面，或一個柱面和一個平面，或一個柱面和一個球面一個柱面和一個球面組成的透鏡都稱柱面透鏡組成的透鏡都稱柱面透鏡3. 放大鏡輔助眼睛觀察細小物體的透鏡（組）稱為放大鏡。輔助眼睛觀察細小物體的透鏡（組）稱為放大鏡。單片正透鏡是一個最簡單的放大鏡。單片正透鏡是一個最簡單的放大鏡。使用放大鏡時，被觀察物體使用放大鏡時，被觀察物體ABAB位于物方焦點上或焦點以內與之很位于物方焦點上或焦點以內與之很靠近的地方，眼睛看到的是物體的虛像靠近的地方，眼睛看到的是物體的虛像ABABt

6、antanM- -l l=250mm=250mm 人眼明視距離人眼明視距離fmmM250焦距越小，焦距越小，倍率越高倍率越高4. 目鏡在目視光學儀器中用于觀察物體被物鏡所成像的在目視光學儀器中用于觀察物體被物鏡所成像的透鏡組透鏡組稱為目稱為目鏡鏡目鏡的作用與放大鏡相當，但作為儀器的組成部分，它所能接目鏡的作用與放大鏡相當，但作為儀器的組成部分，它所能接收的光束已被物鏡的像方光束所限定，因此眼睛瞳孔的位置也收的光束已被物鏡的像方光束所限定，因此眼睛瞳孔的位置也隨之限定，眼睛一定要置于儀器出射光瞳處，才能看到全部視隨之限定，眼睛一定要置于儀器出射光瞳處，才能看到全部視場場目鏡最后一面至出射目鏡最后

7、一面至出射光瞳光瞳的距離為的距離為出瞳距離出瞳距離主要是軸外像差（垂直色差、彗差和像散）主要是軸外像差（垂直色差、彗差和像散）5. 顯微鏡于于16661666年問世（年問世（LeeuwenhoekLeeuwenhoek），用于觀察、研究或攝影記），用于觀察、研究或攝影記錄極微小的物體及其結構錄極微小的物體及其結構(1)(1)顯微鏡物鏡顯微鏡物鏡：顯微鏡中對微細物體成首次放大像的透鏡組，是顯微：顯微鏡中對微細物體成首次放大像的透鏡組，是顯微鏡的鏡的核心部件核心部件，決定了顯微鏡的放大倍數、分辨本領、色差與像差的，決定了顯微鏡的放大倍數、分辨本領、色差與像差的矯正、工作距離等矯正、工作距離等(2)

8、(2)顯微鏡目鏡顯微鏡目鏡：把物鏡所成的像作再一次放大，顯微鏡的總放大倍數：把物鏡所成的像作再一次放大，顯微鏡的總放大倍數通常就是物鏡與目鏡放大倍數的乘積通常就是物鏡與目鏡放大倍數的乘積到目前為止，由于受光學定律的制約，光學顯微鏡最大的有效放大到目前為止，由于受光學定律的制約，光學顯微鏡最大的有效放大倍數為倍數為1250130012501300倍，倍，1010目鏡是最常用而必備的目鏡目鏡是最常用而必備的目鏡6. 望遠鏡物鏡望遠鏡系統(tǒng)中把無限遠物體成像于其焦平面上的一個望遠鏡系統(tǒng)中把無限遠物體成像于其焦平面上的一個透鏡組透鏡組eoffM鏡筒長度鏡筒長度放大率放大率eoffL7. 攝影和投影物鏡將

9、空間物體成像于感光膠片或其他接收器上的透鏡組，由于各種將空間物體成像于感光膠片或其他接收器上的透鏡組，由于各種像差都要矯正，一般都有比較復雜的結構像差都要矯正，一般都有比較復雜的結構下面對一些典型的攝影物鏡作簡單介紹下面對一些典型的攝影物鏡作簡單介紹由兩個膠合組組成的由兩個膠合組組成的珀珀茲伐型物鏡茲伐型物鏡，它有利于，它有利于校正軸上寬光束像差，校正軸上寬光束像差，可達較大相對孔徑可達較大相對孔徑(1:2),(1:2),但因結構形式是但因結構形式是兩個分離的正透鏡組，兩個分離的正透鏡組，像面彎曲得不到校正，像面彎曲得不到校正，使視場受到限制，只能使視場受到限制，只能小于小于2525, ,最適

10、合作電最適合作電影放映物鏡影放映物鏡三片式物鏡三片式物鏡，它是能同它是能同時校正七種像差的最簡時校正七種像差的最簡單形式，相對孔徑和視單形式，相對孔徑和視場分別為場分別為1:4.51:4.51:3.51:3.5和和40405050，成像質，成像質量一般，適用于低檔照量一般，適用于低檔照相機或投影儀相機或投影儀忒薩型物鏡忒薩型物鏡，與三片式，與三片式物鏡相比成像質量有所物鏡相比成像質量有所提高，相對孔徑為提高，相對孔徑為1:3.51:3.51:2.81:2.8，應用比，應用比較廣泛較廣泛雙高斯型物鏡雙高斯型物鏡，在相對，在相對孔徑為孔徑為1:21:2和視場為和視場為4545時，可以有很好的時，可

11、以有很好的成像質量成像質量, ,在中、高檔在中、高檔照相機中應用較廣。在照相機中應用較廣。在此基礎上加以復雜化，此基礎上加以復雜化，可以得到性能和質量更可以得到性能和質量更高的物鏡高的物鏡遠攝型物鏡遠攝型物鏡，適于做長，適于做長焦距物鏡。它由分離得焦距物鏡。它由分離得很開的正、負兩個鏡組很開的正、負兩個鏡組組成，可使其像方主面組成，可使其像方主面位于物鏡之前，因此焦位于物鏡之前，因此焦距雖長而筒長卻可較短距雖長而筒長卻可較短反遠攝型物鏡反遠攝型物鏡，適于做短焦，適于做短焦距物鏡，它也由分離得正、距物鏡，它也由分離得正、負兩鏡組組成，但因負組在負兩鏡組組成，但因負組在前，可使像方主面位于物鏡前，

12、可使像方主面位于物鏡之后，因此焦距雖短而有較之后，因此焦距雖短而有較長的工作距離長的工作距離, ,相對孔徑一般相對孔徑一般為為1:21:21:2.8,1:2.8,視場一般為視場一般為606075758. 場鏡工作在工作在物鏡焦面附近物鏡焦面附近的透鏡稱為場鏡的透鏡稱為場鏡場鏡的主要作用場鏡的主要作用是：是： 提高邊緣光束入射到探測器的能力；提高邊緣光束入射到探測器的能力； 在相同的主光學系統(tǒng)中，附加場鏡將在相同的主光學系統(tǒng)中，附加場鏡將減減小小探探測器的面積。測器的面積。如果使用同樣探測器的面積，可擴大視場，增加入射的通量；如果使用同樣探測器的面積，可擴大視場，增加入射的通量； 可讓出像面位置

13、來放置調制器，以解決無處放置調制器的可讓出像面位置來放置調制器，以解決無處放置調制器的問題；問題； 使探測器光敏面上非均勻光照得以均勻化；使探測器光敏面上非均勻光照得以均勻化； 當使用平像場鏡時，可獲得平場像面。當使用平像場鏡時，可獲得平場像面。9. 浸沒透鏡浸沒透鏡也是二次聚光元件浸沒透鏡也是二次聚光元件，是是由球面和平面組成的由球面和平面組成的球冠球冠體體探測器與浸沒透鏡平面間或探測器與浸沒透鏡平面間或膠合或光膠，膠合或光膠，使像面浸沒在使像面浸沒在折射率較高的介質中折射率較高的介質中主要作用是主要作用是顯著地減小探測顯著地減小探測器的光敏面積，提高信噪比器的光敏面積，提高信噪比浸沒透鏡的

14、設計和使用，按浸沒透鏡的設計和使用，按物像共軛關系處理物像共軛關系處理10.階梯透鏡（菲涅耳透鏡）階梯透鏡是有階梯透鏡是有“階梯階梯”形不連續(xù)表面的透鏡；形不連續(xù)表面的透鏡；“階梯階梯”由一系由一系列同心圓環(huán)狀帶區(qū)構成，故又稱列同心圓環(huán)狀帶區(qū)構成，故又稱環(huán)帶透鏡環(huán)帶透鏡各環(huán)帶的面形在設計過程中可根據需要分別調整，互不牽扯，各環(huán)帶的面形在設計過程中可根據需要分別調整，互不牽扯，有利于像差的校正，有厚度小、重量輕、光吸收損失小等優(yōu)點有利于像差的校正，有厚度小、重量輕、光吸收損失小等優(yōu)點18201820年法國科學家年法國科學家 A.J.A.J.菲涅耳首先在燈塔的導航燈系統(tǒng)中使用菲涅耳首先在燈塔的導航

15、燈系統(tǒng)中使用階梯透鏡，故文獻中多稱之為階梯透鏡，故文獻中多稱之為菲涅耳透鏡菲涅耳透鏡二、反射元器件（改變光的方向）反射系統(tǒng)是至少有一個反射面的光學元件反射系統(tǒng)是至少有一個反射面的光學元件反射面是指按照反射定律使光線有規(guī)則反射的光學表反射面是指按照反射定律使光線有規(guī)則反射的光學表面面作用作用折轉光路折轉光路縮小儀器體積縮小儀器體積改變像的正倒關系等改變像的正倒關系等1. 平面反射鏡主要性質主要性質對實物成虛像，物和像對稱于反射面對實物成虛像，物和像對稱于反射面保持入射光線方向不變，若平面鏡偏轉保持入射光線方向不變，若平面鏡偏轉角，反角，反射光線方向偏轉射光線方向偏轉22角角2. 球面反射鏡特征特

16、征：球面反射鏡工作面為精確的球面，是最簡單的：球面反射鏡工作面為精確的球面，是最簡單的成像元件之一成像元件之一材料材料：如果用金屬制造球面鏡，拋光后，金屬表面本：如果用金屬制造球面鏡，拋光后，金屬表面本身就有較高的反射率；但是光學儀器中的球面鏡多由身就有較高的反射率；但是光學儀器中的球面鏡多由玻璃磨制而成，在其拋光的球面上必須鍍反射膜以提玻璃磨制而成，在其拋光的球面上必須鍍反射膜以提高反射率高反射率分類分類：分為：分為凸面鏡凸面鏡和和凹面鏡凹面鏡特點特點：無色差無色差。設曲率半徑為。設曲率半徑為R R，則球面鏡的焦距為，則球面鏡的焦距為R R/2/2（與波長無關，說明球面鏡沒有色差）（與波長無

17、關，說明球面鏡沒有色差）3. 分束元件分束元件是將入射光通量分割成分束元件是將入射光通量分割成反射反射和和透射透射兩部分，并保證二兩部分，并保證二者有適當比例關系的元件，有時還要求反射部分和透射部分各者有適當比例關系的元件，有時還要求反射部分和透射部分各有其特定的光譜性能，這樣的分束元件可稱有其特定的光譜性能，這樣的分束元件可稱分色元件分色元件如圖如圖是兩種常用的分束元件是兩種常用的分束元件如圖如圖是彩色電視攝像機的分色棱鏡是彩色電視攝像機的分色棱鏡4. 光錐光錐是一種圓錐體狀的聚光鏡光錐是一種圓錐體狀的聚光鏡是非成像的聚光元件，與場鏡類似，可起到是非成像的聚光元件，與場鏡類似，可起到增加光照

18、度增加光照度或或減小探減小探測器面積測器面積的作用的作用可制成空心和實心兩種類型可制成空心和實心兩種類型其它元器件1.1.光楔光楔使光束偏向使光束偏向2.2.干涉濾光片干涉濾光片分割光譜帶分割光譜帶利用干涉相消使之只允許光譜帶中的一段通過利用干涉相消使之只允許光譜帶中的一段通過3.3.偏振片偏振片3.2典型光學元件的物像關系一一幾何光學的基本定律幾何光學的基本定律光的直線傳播定律光的直線傳播定律光的獨立傳播定律光的獨立傳播定律光的反射和折射定律光的反射和折射定律為了研究物像關系，進行光學計算時，可對光路中各為了研究物像關系，進行光學計算時，可對光路中各光學參數的正負號作統(tǒng)一規(guī)定（光學參數的正負

19、號作統(tǒng)一規(guī)定（也可不作要求也可不作要求）方向方向：光線自左至右傳播為正向光路，取正號；反之為逆向光線自左至右傳播為正向光路，取正號；反之為逆向光路，取負號光路，取負號角度角度：以：以主軸主軸或或法線法線轉向某光線順時針為正，逆時針為負轉向某光線順時針為正，逆時針為負起起點點：不同直線量的坐標原點選擇不同：不同直線量的坐標原點選擇不同：曲率半徑以球面頂點為原點曲率半徑以球面頂點為原點焦距以主焦點為原點焦距以主焦點為原點物高或像高以其在軸上的投影點為原點，上方為正，下方為負物高或像高以其在軸上的投影點為原點，上方為正，下方為負3.2典型光學元件的物像關系二二幾種典型元件的物像關系幾種典型元件的物像

20、關系1.1.球面反射鏡球面反射鏡2.2.單球面折射單球面折射3.3.球面透鏡球面透鏡fSS111fRSS1211具體推具體推導導參見參見光學光學RnnSnSn1（高斯物像公式）（高斯物像公式）4.4.浸沒透鏡浸沒透鏡(1)(1)浸沒透鏡的物象關系和等明條件浸沒透鏡的物象關系和等明條件當像面未離開浸沒透鏡而在鏡內時，可把浸沒透鏡看成是當像面未離開浸沒透鏡而在鏡內時，可把浸沒透鏡看成是單球單球面折射成像面折射成像。按折射球面的物像關系有。按折射球面的物像關系有: :rnnLnLn式中式中n n為浸沒透鏡前介質折射率；為浸沒透鏡前介質折射率；nn為為浸沒透鏡材料的折射率；浸沒透鏡材料的折射率；r r

21、是球面半徑。是球面半徑。設物高為設物高為y y，像高為，像高為yy，則垂軸放大率為，則垂軸放大率為如果浸沒透鏡置于空氣中，如果浸沒透鏡置于空氣中，n =1n =1，成像面與光敏面重合，則有，成像面與光敏面重合，則有LnnLyyrLnnLnnL11(1)常把常把的倒數的倒數 B B 叫做浸沒透鏡的叫做浸沒透鏡的浸沒倍率浸沒倍率：單折射球面有像差存在，但在等明點或不暈點處的球單折射球面有像差存在，但在等明點或不暈點處的球差和彗差等于零差和彗差等于零。存在著三個等明點的物像共軛關系。存在著三個等明點的物像共軛關系。 L= L = 0 L= L = 0 ，物、像點重合在球面上，這沒有實用意義；，物、像

22、點重合在球面上，這沒有實用意義； L= r = L L= r = L 即物、像點均在折射球面的曲率中心上；即物、像點均在折射球面的曲率中心上；物距和像距分別為：物距和像距分別為：L =r(L =r(n+nn+n)/n)/n，L=r(L=r(n+nn+n)/n)/n) ( 1LLrnrnyyB(2)(2)半球浸沒透鏡半球浸沒透鏡符合上述等明條件符合上述等明條件時，時，L= L= r r 的的透透鏡，鏡，無球差和慧差。無球差和慧差。像高縮小到像高縮小到像面面積縮小到像面面積縮小到視場角不變情況下，探測器光敏面積也縮小到視場角不變情況下，探測器光敏面積也縮小到 ，因而，因而光敏面照度增大了光敏面照度

23、增大了 ，信噪比提高了，信噪比提高了 倍倍11111nnnrLnn1n21n21n 2 n n(3)(3)標準超半球浸沒透鏡標準超半球浸沒透鏡符合上述等明條件符合上述等明條件時，時，LL r r 的透的透鏡，鏡，如果消除如果消除了球差、了球差、慧差和像散，慧差和像散，則稱為則稱為 標準超半球浸沒透鏡標準超半球浸沒透鏡像高縮小到像高縮小到像面面積縮小到像面面積縮小到視場角不變情況下，探測器光敏面積也縮小到視場角不變情況下，探測器光敏面積也縮小到 ，因，因而光敏面照度增大了而光敏面照度增大了 ，信噪比提高了，信噪比提高了 倍倍2111111nnnnnrLnn41n41n 4 n 2 n21n3.2

24、典型光學元件的物像關系三三景深和焦深景深和焦深由牛頓公式由牛頓公式 可知可知隨著物距的變化，像距也會有變化隨著物距的變化，像距也會有變化焦深焦深：匯聚到焦點上的光束，在焦點處的截面最小但在焦點兩側一：匯聚到焦點上的光束，在焦點處的截面最小但在焦點兩側一個短距離內，光束的橫截面積基本相同。因此，對于給定的物距，個短距離內，光束的橫截面積基本相同。因此，對于給定的物距，有一個很小的軸距范圍，在此范圍內，像點呈現同樣的明亮程度有一個很小的軸距范圍，在此范圍內，像點呈現同樣的明亮程度（照度），這一距離稱為焦深（照度），這一距離稱為焦深景深景深：如果物距的變化引起像距的變化量等于焦深，則此物距變化：如果

25、物距的變化引起像距的變化量等于焦深，則此物距變化量稱為景深量稱為景深ffxxxfx2焦距固定時，有焦距固定時，有2/4數fd2/2222Dffx數一個一個月月凸薄透鏡的兩表面半徑凸薄透鏡的兩表面半徑r1、r2分分別為別為20cm和和15cm，薄透鏡折射率為，薄透鏡折射率為1.5，在凸面鍍銀。在球面前方，在凸面鍍銀。在球面前方40cm處處的主軸上置一高為的主軸上置一高為1cm的物，求像的的物，求像的位置和成像的性質。位置和成像的性質。解解（1）P經凹球面折射成像：經凹球面折射成像：S1=-40cm，n=1.0，n=1.5，r1=-20cm，代入，代入 即即正立、縮小的虛像。正立、縮小的虛像。 ,

26、111rnnSnSn,205 . 0400 . 15 . 11S301S21111SnnS（2）該虛像經凹球面反射成像：）該虛像經凹球面反射成像：,3012cmSS,152cmr222211rSS,15230112S,cm102S312222SSSSnn（令（令 ）即成倒立、縮小的實像。即成倒立、縮小的實像。 nn（3）光線自右向左經凸球面折射成像：）光線自右向左經凸球面折射成像： cm， cm ， ， ，代入物，代入物像公式得像公式得 , 解解得得 cm， ,即成正立、放大的實像。即成正立、放大的實像。 即即最后成像于透鏡左方最后成像于透鏡左方8cm處處，大，大小是原小是原物物0.2倍的倒立

27、的實像。倍的倒立的實像?？偟臋M向放大率總的橫向放大率 103s2013 rr5 . 1n0 . 1n205 . 11105 . 113s83s2 . 1) 1()8(0 . 15 . 1333ssnn2 . 02 . 1)31(5 . 0321物象關系式物象關系式焦距焦距橫向放大率橫向放大率單球面折射單球面折射單球面反射單球面反射平面折射平面折射rnnSnSnnfnfnnff1SfSf高斯公式高斯公式ffxx牛頓公式牛頓公式SS 2rf 111fSSfxxfyySnnSSnnS0SnSn0SnnS像倒立像倒立00像正立像正立1|1|1|像縮小；像縮??； ，像放大像放大。 2.3幾個參數1.1.

28、視場和視場角視場和視場角視場視場：探測器通過光學系統(tǒng)能感知目標存在的空間范圍探測器通過光學系統(tǒng)能感知目標存在的空間范圍視場角視場角：度量視場大小的立體角度量視場大小的立體角 單位：球面度（單位：球面度（srsr）Q Qd dff2arctan2fdQ 2.2.光闌（光闌（stopstop）和光瞳（）和光瞳（pupilpupil）孔徑光闌孔徑光闌(aperture stop)(aperture stop)和視場光闌和視場光闌(field stop)(field stop)透鏡的大小透鏡的大小照相機的光圈照相機的光圈底片的尺寸等等底片的尺寸等等實際成像系統(tǒng)對成像光線的限制，例：實際成像系統(tǒng)對成像光

29、線的限制，例： 光闌：光闌：限制成像光束的孔或屏限制成像光束的孔或屏1) 1) 光闌的作用：光闌的作用： 2) 2) 光闌的種類：光闌的種類：（1 1） 孔徑光闌孔徑光闌：所有擋：所有擋光孔中光孔中, ,最有效最有效的控制成像光束光的控制成像光束光能能量量的，的，稱為稱為孔徑光闌，簡稱孔徑光闌，簡稱孔闌孔闌。（1 1） 保證近軸條件，改善成像質量（像的清晰度），控制景深。保證近軸條件，改善成像質量（像的清晰度），控制景深。（2 2） 控制成像物空間的范圍?？刂瞥上裎锟臻g的范圍。（3 3） 控制像面的亮度?？刂葡衩娴牧炼?。A AB BAABB孔徑光闌孔徑光闌底底片片（2 2）視場光闌視場光闌 ：

30、擋光孔中：擋光孔中, ,最有效最有效的控制成像的控制成像物空間物空間范圍范圍的，稱為視場光闌，簡稱場闌。的，稱為視場光闌，簡稱場闌。瞳孔瞳孔人眼瞳孔：人眼瞳孔：孔徑光闌孔徑光闌窗窗：窗：視場光闌視場光闌物點物點A AB BAABB孔徑光闌孔徑光闌視場光闌視場光闌底片底片區(qū)別？區(qū)別？光瞳（光瞳（pupilpupil）入射光瞳入射光瞳( (入瞳入瞳) )：限制入射光束的有效孔徑：限制入射光束的有效孔徑, , 是是孔徑光闌對前方光學系統(tǒng)所成的像孔徑光闌對前方光學系統(tǒng)所成的像孔徑光闌在孔徑光闌在物空間物空間中的等效孔徑中的等效孔徑 孔徑光闌在孔徑光闌在像空間像空間中的等效孔徑中的等效孔徑 出射光瞳出射

31、光瞳( (出瞳出瞳) )：限制出射光束的有效孔徑：限制出射光束的有效孔徑, , 是孔徑光闌是孔徑光闌對后方光學系統(tǒng)所成的像對后方光學系統(tǒng)所成的像在這個系統(tǒng)中，孔徑光闌同時也是出瞳在這個系統(tǒng)中，孔徑光闌同時也是出瞳孔徑光闌孔徑光闌入瞳入瞳- - 孔徑光闌對前方系孔徑光闌對前方系 統(tǒng)成的像統(tǒng)成的像入射孔徑角入射孔徑角出射孔徑角出射孔徑角u uuu在這個系統(tǒng)中，孔徑光闌同時也是入瞳在這個系統(tǒng)中，孔徑光闌同時也是入瞳孔徑光闌孔徑光闌出瞳出瞳-孔徑光闌孔徑光闌對后方系對后方系統(tǒng)成統(tǒng)成的像的像uu入射孔徑角入射孔徑角出射孔徑角出射孔徑角 孔徑光闌孔徑光闌與光軸上物點位置有關與光軸上物點位置有關，欲確定孔闌

32、，欲確定孔闌，必必須首先明確是對光軸上哪個物須首先明確是對光軸上哪個物點。點。 將系統(tǒng)所有的通光孔成像于光學將系統(tǒng)所有的通光孔成像于光學系統(tǒng)的物空間，其中對軸上物點張系統(tǒng)的物空間，其中對軸上物點張角最小者，稱為入瞳，入瞳對應角最小者，稱為入瞳，入瞳對應的的實體叫實體叫做做孔闌?？钻@。 孔闌對后光學系統(tǒng)的像，為出射光瞳，簡稱孔闌對后光學系統(tǒng)的像，為出射光瞳，簡稱出瞳。出瞳。怎樣確定孔闌？怎樣確定孔闌？P P1 1P P1 1P P2 2P P2 2u u1 1u u2 2 孔徑光闌與物點位置的關系孔徑光闌與物點位置的關系？入瞳入瞳出瞳出瞳u uuu孔徑光闌孔徑光闌出瞳出瞳入瞳入瞳？共軛共軛入瞳入

33、瞳出瞳出瞳共軛共軛共軛共軛入瞳入瞳出瞳出瞳孔徑光闌孔徑光闌某種相機鏡頭的孔徑光闌、光瞳某種相機鏡頭的孔徑光闌、光瞳只有只有L L1 1時，時， L L1 1對對P P點發(fā)出的光束孔徑限制最厲害。點發(fā)出的光束孔徑限制最厲害。加上加上L L2 2（小于（小于L L1 1）時，）時，L L2 2對對P P點發(fā)出的光束孔徑限制最厲害。點發(fā)出的光束孔徑限制最厲害。加上加上DDDD時，時，DDDD對對P P點發(fā)出的光束孔徑限制最點發(fā)出的光束孔徑限制最厲害。厲害。PL1DDPL23.3.相對孔徑和相對孔徑和 f/f/數數相對孔徑相對孔徑：孔徑光闌孔徑光闌( (物鏡物鏡) )的直徑與物鏡焦距之比的直徑與物鏡焦

34、距之比對像面照度有很大影響，越大，聚光能力越強，同樣條件下照對像面照度有很大影響，越大，聚光能力越強，同樣條件下照度越大度越大f/ f/ 數數：相對孔徑：相對孔徑 的倒數的倒數fD/fD/f f / /D= f D= f / / 數數 以以 f f / /n no o表示，將表示，將 f f / / 數的數值寫數的數值寫在在 n no o 處處。例：物鏡例：物鏡 f f =160mm=160mm，口徑，口徑D=20mm D=20mm f f / / 數為數為 160160/ /20 = 820 = 8，記為，記為 f f / /8 8 。 f /8f /8-表示系統(tǒng)的焦距是口徑的表示系統(tǒng)的焦距

35、是口徑的8 8倍倍2/ fDE 2.4像差簡介1.1.像差的基本概念像差的基本概念如果成像系統(tǒng)：如果成像系統(tǒng)： 1 1）不能將一個物點唯一地變換成一個像點；）不能將一個物點唯一地變換成一個像點； 或者或者 2 2）物像平面上各點的線放大率不同）物像平面上各點的線放大率不同像差像差單色像差單色像差(monochromatic aberration(monochromatic aberration) )色差色差(chromatic aberration(chromatic aberration) )復色光復色光形成像差形成像差單色光單色光形成像差形成像差- -u uuuP PPP! 9! 7! 5

36、! 3sin9753uuuuuuuu sin近軸條件下：近軸條件下：單色單色像差像差的來源的來源球面球面系統(tǒng)在系統(tǒng)在近軸條件近軸條件下可以下可以理想成像理想成像物像一一對應物像一一對應! 9! 7! 5! 3sin9753uuuuuu- -u uuuP PPP非近軸情況下，三次冪以上項不能忽略非近軸情況下，三次冪以上項不能忽略出現三級以上像差出現三級以上像差 球面系統(tǒng)不能理想成像球面系統(tǒng)不能理想成像三級像差三級像差( (或初級像差或初級像差)-5)-5種：種： 1) 1) 球差球差(spherical aberration)(spherical aberration)2) 2) 彗差彗差( (coma)coma)3) 3) 像散像散(astigmatism)(astigmatism)和和場曲場曲(curvature of (curvature of field)field)4) 4) 畸變畸變(distortion)(distortion)! 9! 7! 5! 3s