大學光學經典課件L5-光闌

§9光闌1）光闌定義：

光具組內光學元件的邊緣、框架或特別設置的帶孔屏障稱為光闌。2）光闌的種類：

孔徑光闌和視場光闌，所謂視場就是能成像的物面范圍。5/21/202413）孔徑光闌和視場光闌對軸上物點光束的口徑（立體角或者發(fā)光截面）限制得最多的光闌稱為孔徑光闌(有效光闌)。

對光具組成像的視場限制最多的光闌稱為視場光闌。5/21/202424）注意：

孔徑光闌限制成像物點的光束口徑，視場光闌限制成像的物面范圍，即物點個數(shù)。

5/21/202435）確定孔徑光闌的方法(1)把光具組中所有光闌當作物，逐個地相對其前方系統(tǒng)成像。5/21/20244由軸上物點向每個像的邊緣引直線，其中與主光軸所夾銳角最小的即為入射孔徑角，

對應的像即為入射光瞳，入射光瞳對應的共軛物即為孔徑光闌。5/21/20245（3）將孔徑光闌向其后方系統(tǒng)成像，即為出射光瞳。由軸上像點出射光瞳邊緣連直線，與主光軸所夾銳角即為出射孔徑角。5/21/202466）注意：（1）只能向像的邊緣連線來比較誰對光束孔徑限制得最厲害。

（2）孔徑光闌的位置與軸上物點的位置有關。（3）考察的是對軸上物點通光孔徑的限制程度。（4）物點在無窮遠處時，往往可以直接比較來確定。（5）確定孔徑光闌有兩種方法：計算法和作圖法。

5/21/202477）孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳三者之間的關系和各自的作用孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳三者之間的關系是物像共軛關系?？讖焦怅@的作用是控制光束的入射和出射能量，大多數(shù)情況下間接實施控制。對入射光束的直接控制由入射光瞳來承擔，對出射光束的直接控制由出射光瞳來承擔。5/21/202488）主光線和漸暈現(xiàn)象：主光線的定義：通過入射光瞳中心、有效光闌中心和出射光瞳中心的光線稱為主光線。每個物點僅對應一條主光線。漸暈現(xiàn)象：像面邊緣逐漸變暗的現(xiàn)象。12341324a

D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L5/21/202499）視場光闌的定義對軸外物點的主光線限制最多的光闌稱為視場光闌。12341324a

D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L5/21/20241010）視場光闌的確定方法（1）由入射光瞳中心向由前方系統(tǒng)所成像的邊緣引直線，其中與主光軸夾角最小的銳角稱為入射視場角

，

對應的像為入射窗，入射窗對應的共軛物即為視場光闌。12341324a

D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L5/21/202411（2）視場光闌經后方系統(tǒng)所成的像稱為

出射窗。出射窗的邊緣與出射光瞳中心的連線與主光軸所夾銳角稱為

出射視場角

12341324a

D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L5/21/20241211）注意：

在一個完整的光學系統(tǒng)中（兩個以上光學器件組成的光學系統(tǒng)），

孔徑光闌和視場光闌不能由同一個器件兼任。5/21/20241312）視場光闌，入射窗和出射窗之間的關系視場光闌，入射窗和出射窗三者之間的關系是物像共軛關系。

12341324a

D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L5/21/202414視場光闌對物面范圍和像面范圍大小都能限制，大多數(shù)情況下間接實施控制，對物面范圍的直接限制由入射窗來承擔，對像面范圍的直接限制由出射窗來承擔。12341324a

D’1D2D’2D1物面入窗視闌入瞳出窗出瞳孔闌像面L5/21/202415例題：孔徑都等于4cm的兩個薄透鏡組成同軸光具組，一個透鏡是會聚的，其焦距為5cm；另一個是發(fā)散的，其焦距為10cm。兩個透鏡中心的距離為4cm。對于會聚透鏡前面6cm處的物點，試問：

(1)哪一個透鏡是有效光闌？

(2)入射光瞳和出射光瞳的位置在哪里？其大小各等于多少？5/21/202416（1）將發(fā)散透鏡作為物對凸透鏡成像：代入高斯公式像高發(fā)散透鏡經會聚透鏡所成的像對物點所張的孔徑角為5/21/202417（2）L1為入射光瞳，其直徑為4cm。會聚透鏡對物點所張的孔徑角為所以會聚透鏡為同軸光具組的有效光闌L1經L2成的像為出射光瞳，其位置和大小分別為：5/21/202418§11光度學基本概念1）光度學和輻射度學光度學：研究光的強弱的學科輻射度學：研究各種電磁輻射強弱的學科5/21/2024192）輻射能通量（輻射功率）和輻射能通量的譜密度單位時間內光源發(fā)出或通過一定接收截面的輻射能

單位：瓦

輻射能通量的譜密度：

輻射能通量的定義：5/21/2024203)視見函數(shù)定義：

V=1實驗表明：

要引起與1mw的5550A的綠光相同亮暗感覺的4000A紫光需要2.5w.時，

，

在4000A---7600A范圍以外，V實際上已趨于05/21/2024214)適光性和適暗性視見函數(shù)由于眼睛里的圓錐和圓柱視神經細胞在分別起作用，形成了適光性和適暗性視見函數(shù)。在昏暗的環(huán)境中，視見函數(shù)的極大值朝短波方向移動。所以在月光朦朧的夜晚，總感到周圍的一切籠罩了一層藍綠的色彩。5/21/2024225)光通量定義：

光源發(fā)出的輻射能通量通過視見函數(shù)的權重因子折合成對人眼起作用的有效視覺強度稱為光通量。單位：流明，

記作：

有：

或者：

最大光功當量，

5/21/2024236)發(fā)光強度和輻射強度（1）點光源和面光源：（2）發(fā)光強度I：單位立體角內發(fā)出的光通量，

單位：坎德拉，

其中

，

點光源r5/21/202424（3）注意：（a）發(fā)光強度的符號與光強的符號雖然相同，但與光強不是一個概念。（b）發(fā)光強度與方向有關，方向不同發(fā)光強度不同。（4）輻射強度：單位立體角內發(fā)出的輻射通量，

其中

，

單位：

，

5/21/2024257）光亮度和輻射亮度（1）光亮度：面元ds沿r方向的光度學亮度B定義為在此方向上單位投影面積的發(fā)光強度單位：

或

擴展光源法線nr5/21/202426（2）輻射亮度：單位：，

（3）注意：

人眼睛感知的是光源的亮度大小，不是發(fā)光強度的強弱。

5/21/2024278）余弦輻射體和朗伯定律（1）余弦（朗伯）發(fā)射體朗伯定律：余弦發(fā)射體沒有立體感，感到各處一樣亮，比如太陽

定義：如果一擴展光源的發(fā)光強度從而其亮度B與方向無關，這類發(fā)射體稱為余弦發(fā)射體。5/21/202428證明：太陽中心處：

太陽邊緣部分的同樣方向：

因為：

5/21/202429（2）余弦反射體：

如積雪、十分粗造的白紙等物體，也遵循朗伯定律。

（3）定向發(fā)射體：

比如：激光器。

激光器發(fā)出的光束通常是截面△S很小而高度平行，從而用不大的輻射功率就可獲得極大的輻射亮度。5/21/2024309）光照度和輻射照度（1）光照度定義：照射在單位面積上的光通量，

單位：lx或ph

（2）輻射照度定義：照射在單位面積上的輻射通量單位：W/cm2或W/m2

，

，

，

5/21/202431（3）點光源的照度，

點光源法線nr5/21/202432（4）面光源的照度5/21/202433(5)注意：（a）光強的概念與這里的輻射照度的概念一致。（b）