工程光學(xué)完整精1ppt精選課件

.,工程光學(xué),.,本課程的基本情況,專業(yè)基礎(chǔ)課總學(xué)時(shí)：64其中：理論學(xué)時(shí)：48實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：16教材及參考書教材：工程光學(xué)郁道銀談恒英機(jī)械工業(yè)出版社參考書：應(yīng)用光學(xué)胡玉禧安連生中國(guó)科技大學(xué)出版社應(yīng)用光學(xué)王文生華中科技大學(xué)出版社考核方式閉卷考試總評(píng)成績(jī)比例：卷面70%實(shí)驗(yàn)20%平時(shí)10%,.,緒論,光學(xué)的發(fā)展史光學(xué)的分類本課程在測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用,.,彩虹,課題引入：生活中，大自然中有關(guān)光的現(xiàn)象無(wú)處不在,.,日暈,.,你還能舉些有關(guān)光的現(xiàn)象么？,提問(wèn)環(huán)節(jié),.,光學(xué)的分類,幾何光學(xué)物理光學(xué)量子光學(xué)現(xiàn)代光學(xué),.,工程光學(xué)在測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用,精密儀器設(shè)計(jì)及制造,.,潛望鏡,.,紅外雷達(dá)和平視顯示器,.,運(yùn)動(dòng)員腳下的秘密,.,光學(xué)的研究?jī)?nèi)容,采用光的直線傳播概念，研究光傳播的基本規(guī)律和光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像的原理和應(yīng)用。,通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí)，使大家了解在光電測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)中所需的一些基本概念、基本設(shè)計(jì)術(shù)語(yǔ)、基本設(shè)計(jì)方法等等。,光學(xué)的研究目的,.,第一章,幾何光學(xué)的基本原理,.,1.1幾何光學(xué)的基本定律1.2成像的基本概念與完善成像條件1.3光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng)1.4球面光學(xué)成像系統(tǒng),本章內(nèi)容,.,在工農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)以及人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，使用著種類繁多的的光學(xué)儀器，如望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，投影儀等。,光學(xué)系統(tǒng)：千差萬(wàn)別,但是其基本功能是共同的：傳輸光能或?qū)λ芯康哪繕?biāo)成像。,研究光的傳播和光學(xué)成像的規(guī)律對(duì)于設(shè)計(jì)光學(xué)儀器具有本質(zhì)的意義！,1.1幾何光學(xué)的基本定律,.,從本質(zhì)上講，光是電磁波，它是按照波動(dòng)理論進(jìn)行傳播。,但是按照波動(dòng)理論來(lái)討論光經(jīng)透鏡和光學(xué)系統(tǒng)是的傳播規(guī)律或成像問(wèn)題時(shí)將會(huì)造成計(jì)算和處理上的很大困難，在實(shí)際解決問(wèn)題時(shí)也不方便。,好累！太不方便了！,.,按照近代物理學(xué)的觀點(diǎn)，光具有波粒二象性，那么如果只考慮光的粒子性，把光源發(fā)出的光抽象成一條條光線，然后按此來(lái)研究光學(xué)系統(tǒng)成像。,問(wèn)題變得簡(jiǎn)單而且實(shí)用！,.,幾何光學(xué)：以光線為基礎(chǔ)，用幾何的方法來(lái)研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律及光學(xué)系統(tǒng)的成像特性。,點(diǎn)：光源、焦點(diǎn)、物點(diǎn)、像點(diǎn)線：光線、法線、光軸面：物面、像面、反射面、折射面,下面我們來(lái)分別認(rèn)識(shí)它們吧！,.,發(fā)光點(diǎn)幾何上的點(diǎn)是既無(wú)大小，又無(wú)體積的抽象概念。當(dāng)光源的大小與其作用距離相比可以忽略不計(jì)時(shí)，也可認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)。,天體,遙遠(yuǎn)的距離,觀察者,.,光線發(fā)光點(diǎn)向四周輻射光能量，在幾何光學(xué)中將發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光抽象為帶有能量的線，它代表光的傳播方向。,.,某一時(shí)刻相位相同的點(diǎn)構(gòu)成的面稱為波面。,波面上某一點(diǎn)的法線就是這一點(diǎn)上光的傳播方向，波面上的法線束稱為光束。,光束一個(gè)位于均勻介質(zhì)中的發(fā)光點(diǎn)，它所發(fā)出的光向四周傳播，形成以發(fā)光點(diǎn)為球心的球面波。,.,同心光束：發(fā)自一點(diǎn)或會(huì)聚于一點(diǎn)，為球面波。,平行光束：光線彼此平行，是平面波。,.,像散光束：光線既不平行，又不相交，波面為曲面。,在幾何光學(xué)中研究成像時(shí)，主要要搞清光線在光學(xué)元件中的傳播途徑，這個(gè)途徑稱為光路。,實(shí)際做法：從光束中取出一個(gè)適當(dāng)?shù)慕孛妫偾蟪銎渖蠋讞l光線的光路，即可解決成像問(wèn)題。這種截面稱為光束截面。,.,重點(diǎn)：幾何光學(xué)基本定律,一、光的直線傳播定律在各向同性的均勻透明介質(zhì)中，光線沿直線傳播。,.,二、光的獨(dú)立傳播定律不同的光源發(fā)出的光線在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，彼此互不影響。在光線的相會(huì)點(diǎn)上，光的強(qiáng)度是各光束的簡(jiǎn)單疊加，離開(kāi)交會(huì)點(diǎn)后，各個(gè)光束按原方向傳播。,.,三、折射和反射定律,光的折射和反射定律研究光傳播到兩種均勻介質(zhì)的分界面時(shí)的定律。,（一）折射定律,I：入射角,I：折射角,.,（1）折射光線位于由入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線分居法線兩側(cè)。,（2）入射角的正弦和折射角的正弦之比與兩角度的大小無(wú)關(guān)，僅決定于介質(zhì)的性質(zhì)，為一恒量nab,即,.,也可表述為：,兩個(gè)介質(zhì)的相對(duì)折射率可以用光在該介質(zhì)中的速度表示,對(duì)上式變換,兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率等于兩介質(zhì)的絕對(duì)折射率之比,.,（2）入射角I和反射角I的絕對(duì)值相同，可表示為,（二）反射定律,（1）反射光線在由入射光線和法線所決定的平面內(nèi),符號(hào)相反說(shuō)明入射光線和反射光線分居法線兩側(cè)。,.,下面大家來(lái)做一道練習(xí)題：在水中深度為y處有一發(fā)光點(diǎn)Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射光線的延長(zhǎng)線與QO交點(diǎn)Q的深度與入射角i的關(guān)系。（注：水相對(duì)空氣的折射率為n=4/3）,.,一般情況下，光線射至透明介質(zhì)的分界面時(shí)將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。,可知，若：,即折射光線較入射光線偏離法線，下面我們來(lái)看看全反射現(xiàn)象的發(fā)生,由公式,四、光的全反射,則：,.,n1,n2,IncidentbeamReflectedbeamRefringentbeam,C,.,不可能大于1，此時(shí)入射光線將不能射入另一介質(zhì)。,按照反射定律在介面上全部被反射回原介質(zhì),對(duì)應(yīng)于的入射角被稱為臨界角,記為,可知,.,重點(diǎn)：全反射的兩個(gè)條件,（1）光密到光疏介質(zhì)；,（2）入射角大于臨界角；,.,下面我們來(lái)看看全反射的應(yīng)用：,（1）制成各種全反射棱鏡，用于折轉(zhuǎn)光路，代替平面反射鏡。,.,（2）制造光導(dǎo)纖維。,.,光的直線傳播定律、獨(dú)立傳播定律、折射和反射定律是幾何光學(xué)的基本定律，是研究光線傳播和成像問(wèn)題的基礎(chǔ)。,從上述定律可以得到光線傳播的一個(gè)重要原理光路的可逆性原理。利用這一原理，可以由物求像，也可以由像求物。,五、光路的可逆原理,.,光學(xué)系統(tǒng)的作用之一是對(duì)物體成像，因此必須搞清物像的基本概念和它們的關(guān)系。,物體通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)（光組）成像，光學(xué)系統(tǒng)(各種光學(xué)儀器)由一系列光學(xué)零件組成。,光學(xué)系統(tǒng)一般是軸對(duì)稱的，有一條公共軸線，稱為光軸。這種系統(tǒng)被稱為“共軸系統(tǒng)”,1.2成像的基本概念與完善成像條件,.,在光學(xué)儀器中最常用的光學(xué)零件是透鏡，目前絕大多數(shù)是球面透鏡（系統(tǒng)）。,由這些球面系統(tǒng)（透鏡）組成的光學(xué)系統(tǒng)有對(duì)稱軸，也稱為共軸球面系統(tǒng),.,物像的虛實(shí),由實(shí)際光線成的像，稱為實(shí)像。,在凸透鏡2f外放一個(gè)點(diǎn)燃的蠟燭，后面放一個(gè)紙屏，當(dāng)紙屏放到某一位置時(shí)，會(huì)在屏上得到蠟燭清晰的像。,如電影，幻燈機(jī)，照相機(jī)成像,.,有的光學(xué)系統(tǒng)成的像，能被眼睛看到，卻無(wú)法在屏上得到,這些像不是由實(shí)際光線相交得來(lái)，而是由實(shí)際光線的反向延長(zhǎng)線相交得來(lái)。,由反射或折射光線的反向延長(zhǎng)線相交所得的像稱為虛像,如照鏡子，顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡等。,.,與像類似，物也分兩種,實(shí)物：自己發(fā)光的物體。,虛物：不是由實(shí)際光線而是由光線的延長(zhǎng)線相交而成的物。,虛物不能人為設(shè)定，它是前一系統(tǒng)所成的像被當(dāng)前系統(tǒng)截取得到的。,如燈泡、蠟燭等，也可以是被照明后發(fā)光的物體，如人物，景物等。,.,判斷虛實(shí)小竅門：,實(shí)物，虛像對(duì)應(yīng)發(fā)散的同心光束。,虛物，實(shí)像對(duì)應(yīng)匯聚的同心光束。,照相機(jī),實(shí)物,物的虛像,照相機(jī)的實(shí)物,.,練習(xí)題：請(qǐng)判斷下列物與像的虛實(shí),a.實(shí)物成實(shí)像,b.實(shí)物成虛像,c.虛物成實(shí)像,（對(duì)于第二個(gè)透鏡）,d.虛物成虛像,.,如果光學(xué)系統(tǒng)的所有界面均為球面，則稱為球面系統(tǒng)。各球面球心位于一條直線上的球面系統(tǒng)，稱為共軸球面系統(tǒng)。連接各球心的直線稱為光軸。光軸與球面的交點(diǎn)稱為頂點(diǎn)。,一、基本概念,1.3光路計(jì)算與近軸光學(xué)系統(tǒng),.,球面頂點(diǎn)：O球面曲率中心：C球面曲率半徑：r球面光軸：連接O、C而得的直線。子午面：由光軸和物點(diǎn)確定的平面。截距：頂點(diǎn)O到光線與光軸的交點(diǎn)的距離孔徑角：光線與光軸的夾角,.,二、符號(hào)法則,（1）線段量沿軸線段（如L（L）、r）光線傳播由左向右，以折（反）射面頂點(diǎn)為原點(diǎn)（起點(diǎn)），順光線傳播方向?yàn)檎?；逆光線傳播方向?yàn)樨?fù)。垂軸線段(h)光軸以上為正；光軸以下為負(fù)。,.,（2）角度量銳角度量孔徑角U、U從光軸起算，光軸轉(zhuǎn)向光線，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。入射角、折射角從光線起算，光線轉(zhuǎn)向法線，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。光軸與法線的夾角（如）從光軸起算，光軸轉(zhuǎn)向法線，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。,.,（3）絕對(duì)值標(biāo)注圖上出現(xiàn)的各長(zhǎng)度、角度等幾何量，均要求標(biāo)以正值。對(duì)于按符號(hào)法則被確定為負(fù)值的參量，須在表示該量的字符前加“一”號(hào)，以表示其正值,.,符號(hào)規(guī)則是人為規(guī)定的，一經(jīng)定下，就要嚴(yán)格遵守，只有這樣才能導(dǎo)出正確結(jié)果！,.,計(jì)算光線經(jīng)過(guò)單個(gè)折射面的光路，是已知球面曲率半徑r，介質(zhì)折射率n，n及光線物方坐標(biāo)L和U，求像方坐標(biāo)L，U。,實(shí)際光線的光路計(jì)算,.,一、單折射球面光路計(jì)算,在AEC中，利用正弦定理得：,.,由折射定律,由圖,.,在中，應(yīng)用正弦定律,得：,.,子午面內(nèi)實(shí)際光線的光路計(jì)算公式,（2-1）,（2-2）,（2-3）,（2-4）,.,同一物點(diǎn)發(fā)出的不同孔徑的光線，經(jīng)折射后具有不同L值。即同心光束經(jīng)折射后，出射光束不再是同心光束。,.,式中，h為平行光線到光軸的距離,物點(diǎn)位于物方軸上無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，光線平行于光軸射入球面，,此時(shí)有：,.,二.近軸光路計(jì)算公式,孔徑角U很小時(shí)，用弧度值替換正弦值，并采用小寫字母表示：,.,（2-6）,（2-7）,（2-8）,（2-9）,近軸區(qū)光路計(jì)算公式：,.,三、近軸區(qū)域物像關(guān)系,將上述公式代換，整理得：,該式表明了物像方孔徑角的相互關(guān)系。,（2-13）,.,再經(jīng)過(guò)代換：,公式中的稱為阿貝不變量，該式表明對(duì)于單個(gè)折射球面，物空間與像空間Q相等，隨共軛點(diǎn)位置而異。,（2-12）,.,（2-14）,（2-13）兩側(cè)同除以h得：,該式為物像位置公式，表明用一個(gè)坐標(biāo)（參量）就能決定近軸光像點(diǎn)位置。,.,軸上點(diǎn)成像只需知道位置即可，但如果是有一定大小物體經(jīng)球面成像后，只知道位置就不夠了，還需知道成像的大小、虛實(shí)、倒正。,1.4球面光學(xué)成像系統(tǒng),（一）垂軸放大率,垂直于光軸，大小為y的物體經(jīng)折射球面后成的像大小為y,則,稱為垂軸放大率或橫向放大率,A,-l,O,E,-u,C,r,A,u,n,n,l,h,y,-y,B,B,ABCABC有：,由阿貝不變量公式可得：,代入上式,可得：,可見(jiàn)只取決于介質(zhì)折射率和物體位置。,A,-l,O,E,-u,C,r,A,u,n,n,l,h,y,-y,B,B,.,根據(jù)的定義和公式，可以確定物體的成像特性：,（1）若0,即y與y同號(hào)，表示成正立像。反之成倒立像。,對(duì)垂軸放大率的討論,.,（2）若0,即l與l同號(hào)，表示物象在折射球面同側(cè)，物像虛實(shí)相反。反之l與l異號(hào)，物像虛實(shí)相同。,可歸結(jié)為：0,成正立像且物像虛實(shí)相反。1,則|y|y|，成放大像，反之|y|6mm望遠(yuǎn)系統(tǒng)的孔徑光闌大致在物鏡左右若放分劃板，則分劃板框?yàn)橥h(yuǎn)系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌,.,4.4顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析,一、簡(jiǎn)單顯微鏡系統(tǒng)的光束限制二、遠(yuǎn)心光路1、顯微鏡測(cè)長(zhǎng)原理2、孔徑光闌的位置3、物方遠(yuǎn)心光路及其特點(diǎn)：入瞳處于無(wú)窮遠(yuǎn)，軸外點(diǎn)主光束平行于光軸三、場(chǎng)鏡的應(yīng)用1、場(chǎng)鏡2、場(chǎng)鏡的作用：壓低光線，減小后續(xù)光路光瞳直徑,.,一、顯微鏡系統(tǒng)光路,.,孔徑光闌的位置,L為測(cè)量物鏡，當(dāng)物鏡框?yàn)榭讖焦怅@時(shí)，由于調(diào)焦不準(zhǔn)，其測(cè)量存在誤差,.,孔徑光闌的位置,L為測(cè)量物鏡，當(dāng)孔徑光闌位于像方焦平面時(shí)，可以矯正由于調(diào)焦不準(zhǔn)帶來(lái)的測(cè)量誤差（其中棕黃色為主光線）,.,在光學(xué)儀器中，很大一部分儀器用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度。一類儀器是光學(xué)系統(tǒng)有一定放大率，使被測(cè)物的像和標(biāo)準(zhǔn)刻尺相比，求被測(cè)物體的長(zhǎng)度，如工具顯微鏡等計(jì)量?jī)x器。另一類儀器是把一標(biāo)尺放在不同的位置，光學(xué)系統(tǒng)改變放大率，使標(biāo)尺的像等于一個(gè)已知值，來(lái)求儀器到標(biāo)尺間距離，如大地測(cè)量?jī)x器中的視距測(cè)量。,二、物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路,.,在工具顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)像平面上，放置已知刻度值的透明刻尺（稱為分劃板）分劃板上刻尺的格值已考慮了物鏡的放大率。按此方法測(cè)量，刻尺與物鏡之間的距離應(yīng)保持不變，使物鏡的放大率保持常數(shù)這種測(cè)量方法的測(cè)量精度在很大程度上取決于像平面與刻尺平面的重合程度。,.,由于入瞳在無(wú)限遠(yuǎn)處，物方主光線平行于光軸的光學(xué)系統(tǒng)，故稱為物方遠(yuǎn)心光路。,在大多數(shù)的計(jì)量光學(xué)儀器中，其孔徑光闌（或出瞳）常安置在顯微鏡物鏡或投影物鏡像方焦平面上以形成物方遠(yuǎn)心光路以提高觀測(cè)精度。在光學(xué)儀器中常采用另一種光路像方遠(yuǎn)心光路。它是孔徑光闌（或入瞳）安置在整個(gè)光組的物方焦平面上形成的。,.,三、場(chǎng)鏡,.,顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)小結(jié),一般顯微鏡系統(tǒng)中，孔徑光闌置于顯微物鏡上；一次實(shí)像面處安裝系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)用于測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，為了消除測(cè)量誤差，孔徑光闌安裝在顯微物鏡的像方焦面處，稱為“物方遠(yuǎn)心光路”在長(zhǎng)光路系統(tǒng)中，往往利用物鏡達(dá)到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，以減小光學(xué)零件的口徑,.,4.5光學(xué)系統(tǒng)的景深,一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像1、空間的物點(diǎn)成像2、光瞳對(duì)成像的影響3、視場(chǎng)對(duì)成像的影響二、光學(xué)系統(tǒng)的景深1、概念景深：成清晰像的空間深度遠(yuǎn)景深度：遠(yuǎn)景平面距對(duì)準(zhǔn)平面的距離近景深度：近景平面距對(duì)準(zhǔn)平面的距離2、景深公式：3、正確透視條件,.,一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像,.,透視失真,.,景象畸變,.,二、光學(xué)系統(tǒng)的景深,.,.,.,正確透視,照片上各像點(diǎn)對(duì)眼睛的張角與直接觀察該空間物體時(shí)各對(duì)應(yīng)點(diǎn)張角相等,.,Homework,復(fù)習(xí)本章的內(nèi)容P731&2,.,第六章,光線的光路計(jì)算及像差理論,.,6.1概述6.2光線的光路計(jì)算6.3軸上點(diǎn)的球差6.4正弦差和彗差6.5場(chǎng)曲和像散6.6畸變6.7色差,本章內(nèi)容,.,本章重點(diǎn),光學(xué)系統(tǒng)像差的基本概念光學(xué)系統(tǒng)像差的種類初級(jí)單色像差,.,已解決：實(shí)際球面折射系統(tǒng)求理想像。,但：實(shí)際球面系統(tǒng)成像是不完善的。那么，有哪些不完善的情況？原因分別是什么？如何進(jìn)行定量描述？采用什么辦法來(lái)解決？,6.1概述,一、像差的定義：就是實(shí)際成像與理想成像之間的差異。,二、產(chǎn)生像差的根本原因：一定的孔徑和視場(chǎng)。,球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變,以上五種+位置色差、倍率色差,從波動(dòng)光學(xué)看，實(shí)際波面與理想波面的差異。,.,四、與像差計(jì)算有關(guān)的幾個(gè)概念,主光線：通過(guò)入瞳中心的光線。寬光束：孔徑角相差較大的光束。細(xì)光束：孔徑角相差很小的光束。初始光線：計(jì)算像差時(shí)人為選定的特殊的最初的物方光線。第一近軸光線：軸上點(diǎn)發(fā)出的，通過(guò)入瞳邊緣的光線。第二近軸光線：視場(chǎng)邊緣點(diǎn)發(fā)出的，通過(guò)入瞳中心的光線。子午面：包含軸外點(diǎn)主光線和系統(tǒng)光軸的平面?；∈该妫喊S外點(diǎn)主光線，且垂直于子午面的平面。,.,二、像差計(jì)算的譜線選擇,對(duì)光能接收器的最靈敏的譜線校正單色像差；對(duì)接收器所能接收的波段范圍兩邊緣附近的譜線消色差；同時(shí)接收器的光譜特性也直接受光源和光學(xué)系統(tǒng)的材料限制，三者合理匹配。,1、基本原則：,.,1.目視光學(xué)系統(tǒng)對(duì)e光(=546.1nm)消單色像差，對(duì)F光(=486.1nm)和C光(=656.3nm)消色差。2.普通照相系統(tǒng)對(duì)藍(lán)光最靈敏，所以對(duì)F光消單色像差，對(duì)D光(=589.3nm)和G光(=434.1nm)消色差。3.天文照相系統(tǒng)對(duì)G光(=434.1nm)消單色像差，對(duì)h光(=404.7nm)和F光(=486.1nm)消色差。4.近紅外光學(xué)系統(tǒng)對(duì)C光消單色像差，對(duì)d光(=587.6nm)和A光(=768.2nm)消色差。5.紫外光學(xué)系統(tǒng)對(duì)i光(=365.0nm)消單色像差，對(duì)=257.0nm光和h光(=404.7nm)消色差。6.特殊光學(xué)系統(tǒng)針對(duì)特定波長(zhǎng)消單色像差，無(wú)需消色差。,2、細(xì)則：,.,光線光路的計(jì)算主要有三類：,子午面內(nèi)的光線光路計(jì)算沿軸外點(diǎn)主光線的細(xì)光束像點(diǎn)的計(jì)算子午面外光線或空間光線的計(jì)算,6.2光線的光路計(jì)算,.,一、子午面內(nèi)的光線光路計(jì)算,1.近軸光線的光路計(jì)算,軸上點(diǎn)近軸光的計(jì)算公式：,角u對(duì)入瞳邊緣取值的計(jì)算稱為第一近軸光線計(jì)算.,對(duì)于有k個(gè)面的折射系統(tǒng)，根據(jù)過(guò)渡公式由初始數(shù)據(jù)可以確定像方截距和像方孔徑角.,用小l公式進(jìn)行光路追跡確定像方截距和像方孔徑角.,.,第二近軸光計(jì)算：取發(fā)自物面邊緣點(diǎn)，并通過(guò)入瞳中心的光線。為了計(jì)算初級(jí)像差和像高。,如圖所示，初始數(shù)據(jù)為,當(dāng)物體位于無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，時(shí)，為已知。,理想像高為，為第一近軸光求得的高斯像面位置，為出瞳到光學(xué)系統(tǒng)最后一面的距離。,用小l公式分別對(duì)y1=0.3Y、0.5Y、0.707Y、0.85Y、Y進(jìn)行光路追跡確定像方截距和像方孔徑角.,.,2.遠(yuǎn)軸光線的光路計(jì)算,子午面內(nèi)的遠(yuǎn)軸光按大L公式進(jìn)行計(jì)算：,過(guò)渡公式,計(jì)算的初始數(shù)據(jù)為，最后結(jié)果為,物體處于不同位置處，各光線具有不同的初始數(shù)據(jù)。,用大L公式進(jìn)行光路追跡確定像方截距和像方孔徑角.,.,(1)物體位于無(wú)限遠(yuǎn)（望遠(yuǎn)鏡、照相物鏡）,軸上點(diǎn)初始數(shù)據(jù)：光線離軸高度，帶光。,軸外點(diǎn)初始數(shù)據(jù)為,(2)物體在有限距離（顯微鏡、復(fù)制鏡頭）,軸上點(diǎn)初始數(shù)據(jù)為。,.,軸外物點(diǎn)發(fā)出的主光線及上、下光線的初始數(shù)據(jù)為,入瞳半徑可由下式確定,.,各光線與高斯面的高度為,O,出瞳,Ao,Ya,Yb,Yz,Bb,Bz,Ba,-La,-L,P,-Ua,-Lz,-Lb,-Uz,-Ub,.,3.折射平面和反射平面的光路計(jì)算,遠(yuǎn)軸光按大L公式進(jìn)行計(jì)算：,軸上點(diǎn)近軸光的計(jì)算公式：,.,二、沿軸外點(diǎn)主光線細(xì)光束的光路計(jì)算,子午面上子午光束和弧矢面上弧矢光束的計(jì)算。,.,Iz,Iz,.,計(jì)算舉例,一望遠(yuǎn)物鏡的焦距f=100mm，相對(duì)口徑D/f=1/5,視場(chǎng)角2=6,其結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：,試求該物鏡的第一、二近軸光線成像特征和遠(yuǎn)軸光線成像特征，以及主光線細(xì)光束成像特征。,.,第一近軸光線初始數(shù)據(jù)：物體在無(wú)限遠(yuǎn)，,用小l公式進(jìn)行光線追跡：,解：,第二近軸光線初始數(shù)據(jù)：,用小l公式進(jìn)行光線追跡：,理想像高：,.,軸上點(diǎn)遠(yuǎn)軸光線初始數(shù)據(jù)：物體在無(wú)限遠(yuǎn),用大L公式進(jìn)行光線追跡：,解：,軸外點(diǎn)主光線初始數(shù)據(jù)：,用大L公式進(jìn)行光線追跡：,實(shí)際像高：,全口徑時(shí)實(shí)際像與理想像的偏差：,實(shí)際像高與理想像高差：,.,沿主光線細(xì)光束計(jì)算的初始數(shù)據(jù)：,用細(xì)光束光路計(jì)算進(jìn)行光線追跡：,.,6.3軸上點(diǎn)的球差,.,1、球差的定義,軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)折射面折射后，不同孔經(jīng)角U的光線交光軸于不同點(diǎn)上，相對(duì)于理想像點(diǎn)的位置有不同的偏離，這就是球面像差，簡(jiǎn)稱球差。它由孔徑引起。,稱為消球差系統(tǒng),球差校正不足或欠校正,球差校正過(guò)頭或過(guò)校正,-Lm,.,.,垂軸球差：,球差的特點(diǎn)：,球差是入射高度h1或孔徑角U1的函數(shù)球差具有對(duì)稱性球差與視場(chǎng)角無(wú)關(guān),.,球差可以展開(kāi)為h或U的多項(xiàng)式：,大部分系統(tǒng)的三級(jí)以上球差系數(shù)為小量：,小孔徑光學(xué)系統(tǒng)主要考慮初級(jí)球差大孔徑光學(xué)系統(tǒng)必須考慮高級(jí)球差,或,初級(jí)球差,二級(jí)球差,三級(jí)球差,.,單正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差，自身無(wú)法單獨(dú)消球差單負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差，自身無(wú)法單獨(dú)消球差,一般意義來(lái)說(shuō)：,2、球差的校正,單透鏡的球差特征,.,消球差的基本思路,采用正、負(fù)透鏡組合進(jìn)行正負(fù)球差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)消球差,由于球差與入射高度或孔徑角的偶數(shù)次方函數(shù)，因此，只能正對(duì)某一入射高度或孔徑角度來(lái)消球差。,通常使初級(jí)球差與高級(jí)球差大小相等，符號(hào)相反，在邊緣光帶處補(bǔ)償球差，使球差校正為零。,.,設(shè)邊光：,通常對(duì)球差展開(kāi)式寫成歸一化形式：,可由上式求得任意h值的球差值。,注意：對(duì)給定的光學(xué)系統(tǒng)(即球差系數(shù)A1、A2為定值)只能對(duì)一個(gè)h/hm值校正，即只能對(duì)一帶的光線消球差！,則：,對(duì)邊光消球差：,所以：,.,微分上式，并令其為零,此式說(shuō)明，當(dāng)邊光球差為零時(shí)，帶光具有最大的剩余球差值。這就是一定要選邊光和帶光進(jìn)行球差計(jì)算的原因。,.,.,光學(xué)系統(tǒng)之所以能校正球差，是因?yàn)槌跫?jí)球差與二級(jí)球差反號(hào)，在某一帶上相互抵消之故。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是改變結(jié)構(gòu)參數(shù)控制初級(jí)球差，使之與二級(jí)球差獲得平衡，從而獲得球差校正。,當(dāng)孔徑增大時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)二級(jí)球差與初級(jí)球差迅速增大，帶光的剩余球差亦隨之增大。故系統(tǒng)相對(duì)孔徑不能任意增大,孔徑愈大，為消球差所需的結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜。,.,對(duì)于單個(gè)折射球面，在以下三種情況時(shí)球差為零：,（1）L0，此時(shí)L必為零，即物點(diǎn)、像點(diǎn)均與球面頂點(diǎn)重合。,（2）光線和球面法線重合，物點(diǎn)和像點(diǎn)均與球面中心相重合。,（3）。,不暈點(diǎn)（齊明點(diǎn)）,.,齊明透鏡,.,1、正弦差,一、正弦差（了解）,1、正弦條件,設(shè)軸上點(diǎn)AA能完善成像，則垂軸方向的近軸點(diǎn)BB也能完善成像需滿足的條件，稱為正弦條件。,即：,若系統(tǒng)滿足正弦條件，則小視場(chǎng)系統(tǒng)具有很好像質(zhì)。,6.4正弦差和彗差,.,引入正弦差描述系統(tǒng)偏離等暈條件的程度：,正弦差：,正弦差不是另一種像差，而是系統(tǒng)偏離等暈條件的量度。小視場(chǎng)系統(tǒng)中，常用正弦差來(lái)表征小視場(chǎng)系統(tǒng)彗差的大小。,正弦條件能滿足嗎？,調(diào)整出瞳位置，可使，再將軸上點(diǎn)消球差，即，實(shí)現(xiàn)正弦條件！,.,1、彗差的現(xiàn)象、定義和成因,z,a,b,入瞳,ya,yb,yz,軸外點(diǎn)發(fā)出的上、下光線和主光線，在高斯像面上高度不等。,彗差產(chǎn)生的原因：軸外點(diǎn)主光線與光學(xué)系統(tǒng)對(duì)稱軸不重合，從而使成像光束失去對(duì)稱性。,2、彗差,.,.,彗差是軸外物點(diǎn)發(fā)出寬光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，并不會(huì)聚一點(diǎn)，相對(duì)于主光線而是呈彗星狀圖形的一種失對(duì)稱的像差。,彗差通常用子午面上和弧矢面上對(duì)稱于主光線的各對(duì)光線，經(jīng)系統(tǒng)后的交點(diǎn)相對(duì)于主光線的偏離來(lái)度量，分別稱為子午彗差和弧矢彗差,子午彗差指對(duì)子午光線度量的彗差,子午光線對(duì)交點(diǎn)離開(kāi)主光線的垂直距離KT用來(lái)表示此光線對(duì)交點(diǎn)偏離主光線的程度。,.,弧矢彗差指對(duì)弧矢光線度量的彗差,弧矢光線對(duì)交點(diǎn)離開(kāi)主光線的垂直距離Ks用來(lái)表示此光線對(duì)交點(diǎn)偏離主光線的程度。,折射后的成像光束與主光束OBY失去了對(duì)稱性,在折射前主光線是光束的軸線，折射后主光線就不再是光束軸線,不同孔徑的光線在像平面上形成半徑不同的相互錯(cuò)開(kāi)的圓斑,距離主光線向點(diǎn)越遠(yuǎn)，形成的圓斑直徑越大,這些圓斑相互疊加的結(jié)果就形成了帶有彗星形狀的光斑。,光斑的頭部（尖端）較亮，至尾部亮度逐漸減弱，稱為彗星像差，簡(jiǎn)稱彗差。,二、彗差的特點(diǎn),(1).彗差與孔徑和視場(chǎng)均有關(guān)，屬于寬光束像差、垂軸像差；(2).孔徑與視場(chǎng)，任何一項(xiàng)為零，均無(wú)彗差（彗差齊明點(diǎn)）；(3).像點(diǎn)光能集中在主光線附近；(4).彗差的正負(fù)與透鏡相對(duì)于孔徑光闌的朝向有關(guān)。,.,球差,.,彗差,.,彗差,.,1、場(chǎng)曲,場(chǎng)曲是像場(chǎng)彎曲的簡(jiǎn)稱。場(chǎng)曲是物平面形成曲面像的一種像差。,若光學(xué)系統(tǒng)存在像散，則實(shí)際像面還受像散的影響而形成子午像面和弧矢像面。,場(chǎng)曲需要以子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲來(lái)表征,（1）子午場(chǎng)曲,用細(xì)光束子午場(chǎng)曲和寬光束子午場(chǎng)曲來(lái)度量。,6.5場(chǎng)曲和象散,子午細(xì)光束焦點(diǎn)相對(duì)于理想像面的偏離稱為細(xì)光束子午場(chǎng)曲，用符號(hào)xt表示：,子午寬光束焦點(diǎn)相對(duì)于理想像面的偏離稱為寬光束子午場(chǎng)曲，用符號(hào)XT表示：,.,細(xì)光束子午場(chǎng)曲與寬光束子午場(chǎng)曲之差為軸外點(diǎn)子午球差。,（2）弧矢場(chǎng)曲,用細(xì)光束弧矢場(chǎng)曲和寬光束弧矢場(chǎng)曲來(lái)度量。,弧矢細(xì)光束焦點(diǎn)相對(duì)于理想像面的偏離稱為細(xì)光束弧矢場(chǎng)曲，用符號(hào)xs表示：,弧矢寬光束焦點(diǎn)相對(duì)于理想像面的偏離稱為寬光束弧矢場(chǎng)曲，用符號(hào)XS表示：,.,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)不存在像散（即子午像與弧矢像重合）時(shí)，垂直于光軸的一個(gè)物平面經(jīng)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)后所得到的像面也不一定于理想像面重合就形成一個(gè)曲面（純場(chǎng)曲）,細(xì)光束弧矢場(chǎng)曲與寬光束弧矢場(chǎng)曲之差為軸外點(diǎn)弧矢球差,像散和場(chǎng)曲既有區(qū)別又有聯(lián)系,有像散必然存在場(chǎng)曲，但場(chǎng)曲存在是不一定有像散,.,光學(xué)系統(tǒng)存在場(chǎng)曲時(shí)，不能使一個(gè)較大的平面物體上的各點(diǎn)同時(shí)在同一像面上成清晰像。,若按視場(chǎng)中心調(diào)焦，中心清晰，邊緣則模糊。,若按視場(chǎng)邊緣調(diào)焦，邊緣清晰，中心則模糊。,.,2、像散,軸外點(diǎn)細(xì)光束成像，將會(huì)產(chǎn)生像散和場(chǎng)曲。它們是互相關(guān)聯(lián)的像差。,軸外物點(diǎn)用光束成像時(shí)形成兩條相互垂直且相隔一定距離的短線像的一種非對(duì)稱性像差被稱為像散。,由子午光束所形成的像是一條垂直子午面的短線t稱為子午焦線,由弧矢光束所形成的像是一條垂直弧矢面的短線s稱為弧矢焦線,這兩條短線不相交但相互垂直且隔一定距離,兩條短線間沿光軸方向的距離即表示像散的大小。,用符號(hào)Xts表示Xts=Xt-Xs,這種即非對(duì)稱又不會(huì)聚于一點(diǎn)的細(xì)光束稱為像散光束。,這兩條短線（焦線）光能量最為集中，它們是軸外點(diǎn)的像。,.,畸變的存在使軸外直線成為曲線像,枕形畸變（正畸變）：垂軸放大率隨視場(chǎng)角的增大而增大的畸變。,桶形畸變（負(fù)畸變）：垂軸放大率隨視場(chǎng)角的增大而減小的畸變。,6.6畸變,.,正畸變,負(fù)畸變,.,視場(chǎng)的畸變用符號(hào)q表示,式中,實(shí)際放大率可以用實(shí)際主光線與高斯像面的交點(diǎn)高度yz與物高y之比表示,y為理想像高,.,稱為相對(duì)畸變,光學(xué)系統(tǒng)的線畸變,必須注意：,1、畸變與其它像差不同，它僅由主光線的光路決定。,2、畸變的存在僅引起像的變形，但不影響成像的清晰度。,.,色差分為：位置色差和倍率色差,白光是由各種不同波長(zhǎng)的單色光所組成的。復(fù)色光成像時(shí)，由于不同色光而引起的像差稱為色差。,注：白色光中波長(zhǎng)愈短折射率愈大,6.7色差,由薄透鏡的焦距公式可知，同一薄透鏡對(duì)不同色光有不同的焦距,一定物距l(xiāng)成像時(shí)，因各色光的焦距不同所得到的像距l(xiāng)也不同,按色光的波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)，其相應(yīng)的像點(diǎn)離透鏡有近到遠(yuǎn)地排列在光軸上，這種現(xiàn)象稱為位置色差。,（1）位置色差（軸向色差、縱向色差）,.,位置色差定義為：,.,稱為色差校正不足,稱為色差校正過(guò)渡,若AF和AC重合，則,稱為光學(xué)系統(tǒng)對(duì)F光（蘭）和C光（紅）消色差。,消色差系統(tǒng)是指對(duì)兩種色光消除軸向（位置）色差的系統(tǒng)。,.,位置色差不同于球差，它在近軸區(qū)就產(chǎn)生。,細(xì)光束成像也不能獲得白光的清晰像。,因?yàn)槲恢蒙顣?huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量（可能比球差嚴(yán)重）。因此用白光成像的光學(xué)系統(tǒng)都必須校正位置色差。,孔徑不同，白光將會(huì)有不同的位置色差。,.,位置色差的性質(zhì)類似于球差。光學(xué)系統(tǒng)只能對(duì)一個(gè)孔徑的光線進(jìn)行校正色差。,一般情況下對(duì)0.7孔徑的光線校正位置色差。,隨著接收器的不同，應(yīng)取接近接收器有效波段邊緣的波長(zhǎng)進(jìn)行校色差。,.,（2）倍率色差（垂軸色差）,光學(xué)材料對(duì)不同色光的折射率不同，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同色光就有不同的焦距。,不同色光的焦距不等時(shí)，其放大率也不等。,就有不同的像高，這就是倍率色差。,B,B,A,A,BF,BD,BC,BF,BD,BC,yzc,yzD,yzF,yzF,yzD,yzc,.,上圖的疊加結(jié)果使像的邊緣呈現(xiàn)彩色,光學(xué)系統(tǒng)的倍率色差是以兩種色光的主光線在高斯像面上的交點(diǎn)高度之差來(lái)度量的,影響成像清晰度,.,本章總結(jié),1、掌握一些重要概念如：主光線，第一、二近軸光線，初始光線，子午面，球差，正弦差，彗差，畸變，位置色差和倍率色差；2、理解光線光路計(jì)算的目的、一般方法和過(guò)程；3、理解各類像差的基本特點(diǎn)（定義，成因，表現(xiàn)，屬性）4、了解各類像差的校正方法，熟悉常用校正方法，如：雙膠合透鏡：球差，位置色差(不同材料)對(duì)稱型結(jié)構(gòu)：所有垂軸像差(彗差、畸變、倍率色差)再次體會(huì)孔徑光闌的作用。,.,光線光路計(jì)算的目的、一般方法和過(guò)程：1、根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，判斷主要像差。再根據(jù)物的位置和大小，確定物方初始光線，即各種孔徑和視場(chǎng)情況下的L1、U1；2、用大L公式及過(guò)渡公式逐面計(jì)算，求出Lk、Uk及其它幾何參數(shù)（如：與高斯像面交點(diǎn)高度等）；3、根據(jù)各類像差的定義式求得像差數(shù)據(jù)，并繪制圖表。,球差彗差位置色差,彗差畸變倍率色差像散、場(chǎng)曲,位置色差倍率色差,球差位置色差像散、場(chǎng)曲,彗差畸變倍率色差,給你一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，你有能力做些什么？,幾何光學(xué)總結(jié)與回顧：,已知系統(tǒng)參數(shù)(ri,ni,di,Di),.,第七章,典型光學(xué)系統(tǒng),.,7.1眼睛及其光學(xué)系統(tǒng)7.2放大鏡7.3顯微鏡系統(tǒng)7.4望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)7.5目鏡,本章內(nèi)容,.,7.1眼睛的光學(xué)成像特性,7.1.1眼睛的結(jié)構(gòu),角膜,鞏膜,前室(1.336),虹膜,瞳孔,水晶體,脈絡(luò)膜,后室(1.336),盲斑,黃斑,視網(wǎng)膜,感光：視網(wǎng)膜上的錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞。,對(duì)光感應(yīng)最靈敏處稱為黃斑，僅有錐狀細(xì)胞。,在視神經(jīng)入口處兩種感光細(xì)胞皆無(wú)，若物恰好成像于此處，則看不到，稱該處為盲斑。,.,瞳孔,水晶體,視網(wǎng)膜,從光學(xué)角度，人眼中最重要的三樣是什么？,瞳孔光闌；水晶體鏡頭；視網(wǎng)膜感光底片；,.,7.1.2標(biāo)準(zhǔn)眼和簡(jiǎn)約眼,1.標(biāo)準(zhǔn)眼：根據(jù)大量測(cè)試結(jié)果，定出了眼睛的各項(xiàng)光學(xué)常數(shù)，包括各透光部分的折射率、各光學(xué)表面的曲率半徑以及有關(guān)距離。稱滿足這些光學(xué)數(shù)值的眼鏡為標(biāo)準(zhǔn)眼。,2.簡(jiǎn)約眼：為了近似計(jì)算的方便，可把標(biāo)準(zhǔn)眼簡(jiǎn)化為一個(gè)折射球面的模型來(lái)代替，稱為簡(jiǎn)約眼。簡(jiǎn)約眼的參數(shù)為：,.,7.1.3眼睛的調(diào)節(jié),遠(yuǎn)點(diǎn)：當(dāng)眼睛處于肌肉完全放松時(shí)所能看清最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為遠(yuǎn)點(diǎn)。,眼睛通過(guò)自動(dòng)調(diào)焦以實(shí)現(xiàn)看清不同距離物體的過(guò)程稱為眼睛的調(diào)節(jié)。,近點(diǎn)：當(dāng)眼睛處于肌肉最緊張時(shí)所能看清的最近點(diǎn)稱為近點(diǎn)。,視度：與視網(wǎng)膜相共軛的物面到人眼距離的倒數(shù)稱為視度。,遠(yuǎn)點(diǎn)距r：遠(yuǎn)點(diǎn)到眼睛物方主點(diǎn)之間的距離。,近點(diǎn)距p：近點(diǎn)到眼睛物方主點(diǎn)之間的距離。,明視距離是指正常的眼睛在正常照明(50lx)下的工作距離，為250mm,正常人眼的明視距離？,.,一個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)為0.2m的近視眼戴上眼鏡后遠(yuǎn)點(diǎn)可恢復(fù)到無(wú)窮遠(yuǎn)。求所戴眼鏡的光焦度。,課堂練習(xí),.,7.1.4眼睛的適應(yīng),對(duì)各種光亮環(huán)境的適應(yīng)能力，亮度比可達(dá)1012:1,亮適應(yīng)：暗處到明處，過(guò)程很快，幾分鐘；暗適應(yīng)：明處到暗處，過(guò)程較慢，極限60分鐘。,為什么暗環(huán)境下能做飯、洗衣，但不能描龍繡鳳？,錐狀細(xì)胞：感受強(qiáng)光，對(duì)555nm最靈敏；桿狀細(xì)胞：感受微光敏銳，對(duì)510nm最靈敏，但分辨細(xì)節(jié)能力差因此，在黃昏視覺(jué)下，光譜敏感度曲線向短波方向偏移，稱波涅金效應(yīng),（1）與物體的亮度及對(duì)比度有關(guān)：當(dāng)照度大于50lx時(shí)，分辨率達(dá)到極值。對(duì)比度大時(shí)分辨率高；（2）與照明光譜成份有關(guān)：?jiǎn)紊夥直媛矢撸ㄑ劬τ猩睿?；?）與視網(wǎng)膜上成像位置有關(guān)，黃斑處分辨率最高。,7.1.5眼睛的分辨率,眼睛剛能分辨開(kāi)二個(gè)很靠近點(diǎn)的能力稱為眼睛的分辨率。,剛能分辨的二個(gè)點(diǎn)對(duì)眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角稱為極限分辨角。,二者成反比,眼睛的分辨本領(lǐng)與哪些因素有關(guān)？,對(duì)眼睛張角小物體的要借助望遠(yuǎn)鏡或顯微鏡等儀器，儀器應(yīng)有適當(dāng)?shù)姆糯舐?，使能被儀器分辨的也能被眼睛分辨。,7.1.6眼睛的對(duì)準(zhǔn)精度,測(cè)量工作中，為了讀數(shù)，常常采用某種標(biāo)志對(duì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)或重合，這種重合或?qū)?zhǔn)的過(guò)程，就稱為瞄準(zhǔn)。而由于受人眼分辨率的限制，把兩根線完全重合是不可能的，偏離于完全重合的程度就稱為瞄準(zhǔn)精度。,瞄準(zhǔn)精度隨所選取的瞄準(zhǔn)標(biāo)志而異，最高精度可達(dá)人眼分辨率的1/6到1/10。,瞄準(zhǔn)精度和前面講到的分辨率是不是一個(gè)概念？,7.1.7眼睛的立體視覺(jué),眼睛觀察空間物體時(shí)，能區(qū)別它們的相對(duì)遠(yuǎn)近而具有立體視覺(jué)。簡(jiǎn)稱體視。,1.單眼視覺(jué)產(chǎn)生體視,較近物體：（5m以內(nèi)）眼球肌肉收縮（調(diào)節(jié)）。,較遠(yuǎn)物體：（5m以外）物對(duì)眼睛的張角的大小。,2.雙眼視覺(jué),成像于雙眼中心凹的同側(cè)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生單像，否則產(chǎn)生雙像。,.,3.體視,估計(jì)距離，眼睛的調(diào)節(jié)，視線轉(zhuǎn)向被觀察物時(shí)肌肉用力。,辨別相對(duì)遠(yuǎn)近，利用兩眼視線之間的夾角。,體視銳度：人眼所能察覺(jué)到的最小立體視差，大約為10，經(jīng)訓(xùn)練可達(dá)到35。,立體視覺(jué)半徑：存在立體視覺(jué)的范圍,.,體視閾值：能分辨不同遠(yuǎn)近二點(diǎn)間的最小距離,應(yīng)用實(shí)例：,討論：1.增大立體視覺(jué)半徑，要求基線b長(zhǎng)，體視銳度值??；2.減小體視閾值，要求基線b長(zhǎng)，體視銳度值小，立體視覺(jué)半徑大。,.,7.2放大鏡,7.2.1視覺(jué)放大率,物經(jīng)放大鏡所成像對(duì)人眼張角的正切和人眼直接看物體時(shí)物對(duì)人眼張角的正切之比稱為放大鏡的放大率，也稱視覺(jué)放大率。用來(lái)表示（計(jì)算式）。,7.2.1光束限制和線視場(chǎng),孔徑光闌、視場(chǎng)光闌？,.,常用的放大鏡，倍率在2.525。單透鏡作放大鏡，通常不超過(guò)3。,.,7.3顯微鏡系統(tǒng),.,7.3.1顯微鏡概述,1.成像原理,物鏡目鏡,眼睛通過(guò)目鏡看到的不是物體本身，而是物體被物鏡所成的像。因此，目鏡的成像光束是被物鏡限制了的。,.,2.放大倍率,系統(tǒng)的組合焦距,顯微鏡是一個(gè)復(fù)雜的放大鏡,系統(tǒng)的組合焦距,.,3.顯微鏡與放大鏡的比較,（1）具有更大的放大率，二次放大；,（2）人眼離物面較遠(yuǎn)，使用方便；,（3）物鏡和目鏡可調(diào)換，從而得到多種放大率；,（4）具有中間實(shí)像面，可放置分劃板，用于測(cè)量（構(gòu)成測(cè)微目鏡）,（5）通過(guò)目鏡的離焦，可把微小物體經(jīng)二次放大以后的實(shí)像顯示出來(lái)。,4.顯微鏡的機(jī)構(gòu),物鏡：通過(guò)旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)換器接到鏡筒的下端面,目鏡：插入式,滿足齊焦要求：調(diào)換物鏡后，不需要調(diào)焦就能看到像。,什么是齊焦要求？,設(shè)計(jì)顯微鏡時(shí)的要求：,（1）物鏡調(diào)換后，像面不動(dòng)，物面不動(dòng)物鏡共軛距不變（195mm)；,（2）物鏡像面即目鏡前焦面不動(dòng)在上端面以下10mm處；,（3）機(jī)械筒長(zhǎng)：上下端面之間的距離（160mm），有的顯微鏡機(jī)械筒長(zhǎng)可調(diào),調(diào)換物鏡（目鏡）后微調(diào)焦不可避免，故還必須有微動(dòng)機(jī)構(gòu),.,7.3.2顯微鏡的光束限制,1.孔徑光闌,低倍物鏡：為單組物鏡框本身。,高倍物鏡：多組物鏡框的最后一組鏡框，,或在物鏡像方焦點(diǎn)處專設(shè)。,2.出瞳位置,整個(gè)顯微鏡像方焦面所在位置，所以在作顯微鏡觀察時(shí)，眼瞳能與之重合，接收所有成像光，且在更換物鏡時(shí)不需改變眼瞳位置。,.,3.出瞳的大小,像差理論中,顯微鏡的出瞳大小主要被焦距和放大率決定,像差理論中,顯微鏡的出瞳大小主要被焦距和放大率決定,.,4.視場(chǎng)光闌,在中間實(shí)像面上專設(shè)視場(chǎng)光闌。,設(shè)置視場(chǎng)光闌是為了使入射窗和物面相重合，這樣通過(guò)目鏡觀察時(shí)，能同時(shí)看清視場(chǎng)光闌的邊緣和物體的像。,7.3.3顯微鏡的分辨率與有效放大率,1.分辨率,用顯微鏡能看清多么細(xì)小的細(xì)節(jié)？是否想多大就可多大?,像面上最近的能分辨的兩點(diǎn)對(duì)出瞳的張角,出瞳直徑,最小分辨距,數(shù)值孔徑,用顯微鏡能看清多么細(xì)小的細(xì)節(jié)？是否想多大就可多大?,像面上最近的能分辨的兩點(diǎn)對(duì)出瞳的張角,出瞳直徑,最小分辨距,數(shù)值孔徑,用顯微鏡能看清多么細(xì)小的細(xì)節(jié)？是否想多大就可多大?,像面上最近的能分辨的兩點(diǎn)對(duì)出瞳的張角,出瞳直徑,最小分辨距,.,2.有效放大率,有效放大率,7.3.4顯微鏡的景深,1.顯微鏡本身的景深,包含顯微鏡本身的景深和眼睛的調(diào)節(jié),將其換算到物空間，得到景深的表達(dá)式。,.,2.人眼的調(diào)節(jié)景深,3.總的景深,顯微鏡的倍率越高，物鏡的數(shù)值孔徑越大，景深越小。,.,7.4望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),7.4.1望遠(yuǎn)鏡概述,物鏡目鏡,.,7.4.2視覺(jué)放大率,望遠(yuǎn)鏡的放大率可表示為物鏡焦距與目鏡焦距之比；入射光瞳直徑與出射光瞳直徑之比，放大率的正負(fù)表示像的正倒。,.,望遠(yuǎn)鏡的諸光學(xué)參數(shù)之間存在相互矛盾的抑制關(guān)系。總的來(lái)說(shuō)，要增大望遠(yuǎn)鏡的倍率，或者導(dǎo)致長(zhǎng)度的增大，或者減小了視場(chǎng)，或者降低了光強(qiáng)度。所以，望遠(yuǎn)鏡的倍率要考慮各個(gè)因素，綜合確定。首先要聯(lián)系物鏡的分辨率。,.,7.4.3望遠(yuǎn)鏡的分辨率及工作放大率,正常放大率,.,7.4.4望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng),開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)一般不超過(guò)15。人眼通過(guò)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)，必須使眼睛位于系統(tǒng)的出瞳處，才能觀察到望遠(yuǎn)鏡的全視場(chǎng)。,.,一、目鏡,1、定義：用于觀察其它光學(xué)系統(tǒng)所成像的放大鏡。,性質(zhì)：放大鏡。由復(fù)合透鏡組構(gòu)成的放大光具組。,作用：放大其它光具組的像，從而增大視角。,要求：A、具有較高的放大本領(lǐng)和較大的視角；B、具有一定的校正像差和色差的能力。,目鏡通常由兩個(gè)或多個(gè)透鏡組合而成。,復(fù)雜的助視儀器總是由物鏡和目鏡組成，靠近物體的稱為物鏡；靠近人眼的稱為目鏡。目鏡通過(guò)放大物鏡所成的像達(dá)到放大人眼視角的目的。,7.5目鏡,.,2、結(jié)構(gòu)：,場(chǎng)鏡+視鏡+（分劃板或稱刻度尺）,場(chǎng)鏡：面向物體（即物鏡的像）的透鏡（或透鏡組）,視鏡：接近人眼的透鏡（或透鏡組）,分劃板：包含可移動(dòng)叉絲的透明刻度尺，提高測(cè)量精度,.,二、目鏡種類：惠更斯目鏡和冉斯登目鏡,1、惠更斯目鏡,結(jié)構(gòu)：如圖示,.,2、冉斯登目鏡,結(jié)構(gòu)：如圖示,.,.,Homework,復(fù)習(xí)本章的內(nèi)容P1681、2、5,.,第八章,光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)評(píng)價(jià)和像差公差,.,8.1瑞利判斷和中心點(diǎn)亮度8.2分辨率8.3點(diǎn)列圖8.4光學(xué)傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量8.6光學(xué)系統(tǒng)的像差公差,本章內(nèi)容,.,引言,對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像性能的要求，可分為兩個(gè)主要方面：第一方面是光學(xué)特性，包括焦距、物距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距離等；第二方面是成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)所成的像應(yīng)該足夠清晰，并且物像相似，變形要小。成像質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法分為兩大類，第一類用于在光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際制造完成以后對(duì)其進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，第二類用于在光學(xué)系統(tǒng)還沒(méi)有制造出來(lái)，即在設(shè)計(jì)階段通過(guò)計(jì)算就能評(píng)定系統(tǒng)的質(zhì)量。,.,8.1瑞利（Reyleigh）判斷和中心點(diǎn)亮度,.,把實(shí)際波面和理想波面之間的光程差，作為衡量該像點(diǎn)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)，稱為波像差，如圖所示。,.,瑞利判斷是根據(jù)成像波面相對(duì)理想球面波的變形程度來(lái)判斷光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的。瑞利認(rèn)為“實(shí)際波面與參考球面波之間的最大波像差不超過(guò)/4時(shí)，此波面可看作是無(wú)缺陷的”，此判斷稱之為端利判斷。該判斷提出了光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)所允許存在的最大波像差公差，即認(rèn)為波像差W=0.8時(shí)，認(rèn)為光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是完善的，這就是有名的斯托列爾（K.Strehl）準(zhǔn)則。瑞利判斷和中心點(diǎn)亮度是從不同角度提出來(lái)的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法，但研究表明，對(duì)一些常用的像差形式，當(dāng)最大波像差為/4時(shí)，其中心點(diǎn)亮度S.D約等于0.8，這說(shuō)明上述二種評(píng)價(jià)成像質(zhì)量的方法是一致的。,二、中心點(diǎn)亮度,一、瑞利判斷實(shí)際波面與參考球面波之間的最大波像差不超過(guò)/4時(shí)，此波面可看作是無(wú)缺陷的。優(yōu)點(diǎn)：便于實(shí)際應(yīng)用缺點(diǎn)：不夠嚴(yán)密。適用范圍：是一種較為嚴(yán)格的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法，適用于小像差光學(xué)系統(tǒng)。二、中心點(diǎn)亮度光學(xué)系統(tǒng)存在像差時(shí)，其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差時(shí)衍射斑的中心亮度之比S.D來(lái)表示光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。斯托列爾準(zhǔn)則：當(dāng)S.D0.8時(shí)，認(rèn)為光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量是完善的。適用范圍：是一種高質(zhì)量的像質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，適用于小像差光學(xué)系統(tǒng)。缺點(diǎn)：計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，很少作為計(jì)算評(píng)價(jià)方法使用。,總結(jié),.,分辨率是反映光學(xué)系統(tǒng)能分辨物體細(xì)節(jié)的能力，它是光學(xué)系統(tǒng)一個(gè)很重要的性能，因此也可以用分辨率來(lái)作為光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。瑞利指出“能分辨的二個(gè)等亮度點(diǎn)間的距離對(duì)應(yīng)艾里斑的半徑”，即一個(gè)亮點(diǎn)的衍射圖案中心與另一個(gè)亮點(diǎn)的衍射圖案的第一暗環(huán)重合時(shí)，這二個(gè)亮點(diǎn)則能被分辨。這時(shí)在二個(gè)衍射圖案光強(qiáng)分布的迭加曲線中有二個(gè)極大值和一個(gè)極小值，其極大值與極小值之比為1:0.735，這與光能接收器（如眼睛或照相底板）能分辨的亮度差別相當(dāng)。若二亮點(diǎn)更靠近時(shí)，則光能接收器就不能再分辨出它們是分離開(kāi)的二點(diǎn)了。,8.2分辨率(resolutionratio),.,.,根據(jù)衍射理論，無(wú)限遠(yuǎn)物體被理想光學(xué)系統(tǒng)形成的衍射圖案中，第一暗環(huán)半徑對(duì)出射光瞳中心的張角式中為光學(xué)系統(tǒng)的最小分辨角,D為出瞳直徑。對(duì)的單色光，以（）來(lái)表示最小分辨角時(shí)，有是計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)理論分辨率的基本公式，對(duì)不同類型的光學(xué)系統(tǒng)可推導(dǎo)出不同的表達(dá)形式。,.,分辨率作為光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法并不是一種完善的方法，這是因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)的分辨率與其像差大小直接有關(guān)，即像差可降低光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。但在小像差光學(xué)系統(tǒng)（例如望遠(yuǎn)系統(tǒng)）中，實(shí)際分辨率幾乎只與系統(tǒng)的相對(duì)孔徑（即衍射現(xiàn)像）有關(guān)，受像差的影響很小。而在大像差光學(xué)系統(tǒng)（例如照相物鏡）中，分辨率是與系統(tǒng)的像差有關(guān)的，以分辨率作為系統(tǒng)的成像質(zhì)量指標(biāo)，這是常用的方法。,.,右圖是測(cè)試數(shù)碼相機(jī)分辨率的ISO12233鑒別率板使用時(shí)按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的照明要求照明，使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)此板實(shí)拍后對(duì)數(shù)碼照片可以判讀出相機(jī)的分辨率。,.,在幾何光學(xué)的成像過(guò)程中，由一點(diǎn)發(fā)出的許多條光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，由于像差的存在，使其與像面的交點(diǎn)不再集中于一點(diǎn)，而是形成一個(gè)分布在一定范圍內(nèi)的彌散圖形，稱之為點(diǎn)列圖。在點(diǎn)列圖中利用這些點(diǎn)的密集程度來(lái)衡量光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的方法稱之為點(diǎn)列圖法。,8.3點(diǎn)列圖（spotdiagram）,.,對(duì)大像差光學(xué)系統(tǒng)（例如照相物鏡等），利用幾何光學(xué)中的光線追跡方法可以精確地表示出點(diǎn)物體的成像情況。其作法是把光學(xué)系統(tǒng)入瞳的一半分成為大量的等面積小面元，并把發(fā)自物點(diǎn)且穿過(guò)每一個(gè)小面元中心的光線，認(rèn)為是代表通過(guò)入瞳上小面元的光能量。在成像面上，追跡光線的點(diǎn)子分布密度就代表像點(diǎn)的光強(qiáng)或光亮度。因此對(duì)同一物點(diǎn)，追跡的光線條數(shù)越多，像面上的點(diǎn)子數(shù)就越多，越能精確地反映出像面上的光強(qiáng)度分布情況。實(shí)驗(yàn)表明，在大像差光學(xué)系統(tǒng)中，用幾何光線追跡所確定的光能分布與實(shí)際成像情況的光強(qiáng)度分布是相當(dāng)符合的。,.,對(duì)軸外物點(diǎn)發(fā)出的光束，當(dāng)存在攔光時(shí)，只追跡通光面積內(nèi)的光線。利用點(diǎn)列圖法來(lái)評(píng)價(jià)照相物鏡等的成像質(zhì)量時(shí)，通常是利用集中30以上的點(diǎn)或光線所構(gòu)成的圖形區(qū)域作為其實(shí)際有效彌散斑，彌散斑直徑的倒數(shù)為系統(tǒng)的分辨率。利用點(diǎn)列圖法來(lái)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量時(shí)，需要作大量的光路計(jì)算，一般要計(jì)算上百條甚至數(shù)百條光線，因此其工作量是非常之大，因此只有利用計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算任務(wù)。但它又是一種簡(jiǎn)便而易行的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法，因此常在大像差的照相物鏡等設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。,.,圖中的幾個(gè)圖分別表示給定的幾個(gè)視場(chǎng)上不同光線與像面交點(diǎn)的分布情況。使用點(diǎn)列圖，一要注意下方表格中的數(shù)值，值越小成像質(zhì)量越好。二根據(jù)分布圖形的形狀也可了解系統(tǒng)的幾何像差的影響，如，是否有明顯像散特征，或彗差特征，幾種色斑的分開(kāi)程度如何，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同的情況采取相應(yīng)的措施。,適用范圍適用于大像差光學(xué)系統(tǒng)。照相物鏡的像質(zhì)評(píng)價(jià)：利用集中30以上的點(diǎn)或光線所構(gòu)成的圖形區(qū)域作為其實(shí)際有效的彌散斑，彌散斑直徑的倒數(shù)為系統(tǒng)的分辨率。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便易行，形象直觀。缺點(diǎn)：工作量非常大，只有利用計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。,總結(jié),.,把物平面分解成無(wú)窮多個(gè)物點(diǎn)，這只是討論光學(xué)系統(tǒng)成像性質(zhì)的一種方法。利用傅立葉分析的方法，還可以對(duì)物平面作另一種形式的分解。根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)和傅立葉變換的性質(zhì)，我們知道，任意周期函數(shù)可以展開(kāi)成傅立葉級(jí)數(shù)。例如圖8-28(a)中的一個(gè)以P為周期的矩形周期函數(shù)，它就是與我們前面介紹的分辨率板相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度分布函數(shù)。可以把它分解為以下的博立葉級(jí)數(shù),8.4光學(xué)傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量,.,由于光學(xué)傳遞函數(shù)能全面反映光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)，因此，可以用它來(lái)評(píng)價(jià)成像質(zhì)量。除了共軸系統(tǒng)的軸上點(diǎn)而外，像點(diǎn)的彌散圖形一般是不對(duì)稱的，因此，不同方向上的光學(xué)傳遞函數(shù)也不相