光電成像系統(tǒng)基礎(chǔ)

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

2、光學(xué)元器件的作用、系統(tǒng)參數(shù)及像差、本章內(nèi)容：常用光學(xué)元器件的作用、系統(tǒng)參數(shù)及像差、典型光學(xué)系統(tǒng)的組成典型光學(xué)系統(tǒng)的組成下一章內(nèi)容下一章內(nèi)容3.1光學(xué)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(fù)透鏡正透鏡和負(fù)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(yuǎn)鏡物鏡望遠(yuǎn)鏡物鏡7.7. 攝影和投影物鏡攝影和投影物鏡8.8. 場(chǎng)鏡場(chǎng)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(gè)折射曲面為邊界的透明體稱為以兩個(gè)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(xué)玻璃為原材料，磨制成形后將折射面拋光而成光學(xué)玻璃為原材料，磨制成形后將折射面拋光而成兩個(gè)折射面中兩個(gè)折射面中可以有一個(gè)平面可以有一個(gè)平面，但，但兩個(gè)折射面都是平兩個(gè)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(duì)獨(dú)立功能的組合體稱為具有相對(duì)獨(dú)立功能的組合體稱為透鏡組透鏡組，根據(jù)用途的，根據(jù)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(fù)透鏡正透鏡具有正的像方焦距值，從而有正的光焦度，能對(duì)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(duì)光束起會(huì)聚會(huì)聚作用，故又稱會(huì)聚透鏡作用，故又稱會(huì)聚透鏡負(fù)透鏡具有負(fù)的光焦度，對(duì)光束起負(fù)透鏡具有負(fù)的光焦度，對(duì)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(fù)透鏡也可分雙凹、平凹和月凹負(fù)透鏡也可分雙凹、平凹和月凹( (或負(fù)彎月形或負(fù)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(gè)母線互相平行的柱面，或兩個(gè)母線互相平行的柱面，或一個(gè)柱面和一個(gè)平面，或一個(gè)柱面和一個(gè)平面，或一個(gè)柱面和一個(gè)球面一個(gè)柱面和一個(gè)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(xì)小物體的透鏡（組）稱為放大鏡。輔助眼睛觀察細(xì)小物體的透鏡（組）稱為放大鏡。單片正透鏡是一個(gè)最簡(jiǎn)單的放大鏡。單片正透鏡是一個(gè)最簡(jiǎn)單的放大鏡。使用放大鏡時(shí)，被觀察物體使用放大鏡時(shí)，被觀察物體ABAB位于物方焦點(diǎn)上或焦點(diǎn)以內(nèi)與之很位于物方焦點(diǎn)上或焦點(diǎn)以內(nèi)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(xué)儀器中用于觀察物體被物鏡所成像的在目視光學(xué)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(dāng)，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(dāng)，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(chǎng)場(chǎng)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(jié)構(gòu)錄極微小的物體及其結(jié)構(gòu)(1)(1)顯微鏡物鏡顯微鏡物鏡：顯微鏡中對(duì)微細(xì)物體成首次放大像的透鏡組，是顯微：顯微鏡中對(duì)微細(xì)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(shù)、分辨本領(lǐng)、色差與像差的，決定了顯微鏡的放大倍數(shù)、分辨本領(lǐng)、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(shù)：把物鏡所成的像作再一次放大，顯微鏡的總放大倍數(shù)通常就是物鏡與目鏡放大倍數(shù)的乘積通常就是物鏡與目鏡放大倍數(shù)的乘積到目前為止，由于受光學(xué)定律的制約，光學(xué)顯微鏡最大的有效放大到目前為止，由于受光學(xué)定律的制約，光學(xué)顯微鏡最大的有效放大倍數(shù)為倍數(shù)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(yuǎn)鏡物鏡望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中把無限遠(yuǎn)物體成像于其焦平面上的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中把無限遠(yuǎn)物體成像于其焦平面上的一個(gè)透鏡組透鏡組eoffM鏡筒長(zhǎng)度鏡筒長(zhǎng)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)像差都要矯正，一般都有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)下面對(duì)一些典型的攝影物鏡作簡(jiǎn)單介紹下面對(duì)一些典型的攝影物鏡作簡(jiǎn)單介紹由兩個(gè)膠合組組成的由兩個(gè)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(dá)較大相對(duì)孔徑可達(dá)較大相對(duì)孔徑(1:2),(1:2),但因結(jié)構(gòu)形式是但因結(jié)構(gòu)形式是兩個(gè)分離的正透鏡組，兩個(gè)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(chǎng)受到限制，只能使視場(chǎng)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(shí)校正七種像差的最簡(jiǎn)時(shí)校正七種像差的最簡(jiǎn)單形式，相對(duì)孔徑和視單形式，相對(duì)孔徑和視場(chǎng)分別為場(chǎng)分別為1:4.51:4.51:3.51:3.5和和40405050，成像質(zhì)，成像質(zhì)量一般，適用于低檔照量一般，適用于低檔照相機(jī)或投影儀相機(jī)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(zhì)量有所物鏡相比成像質(zhì)量有所提高，相對(duì)孔徑為提高，相對(duì)孔徑為1:3.51:3.51:2.81:2.8，應(yīng)用比，應(yīng)用比較廣泛較廣泛雙高斯型物鏡雙高斯型物鏡，在相對(duì)，在相對(duì)孔徑為孔徑為1:21:2和視場(chǎng)為和視場(chǎng)為4545時(shí)，可以有很好的時(shí)，可

11、以有很好的成像質(zhì)量成像質(zhì)量, ,在中、高檔在中、高檔照相機(jī)中應(yīng)用較廣。在照相機(jī)中應(yīng)用較廣。在此基礎(chǔ)上加以復(fù)雜化，此基礎(chǔ)上加以復(fù)雜化，可以得到性能和質(zhì)量更可以得到性能和質(zhì)量更高的物鏡高的物鏡遠(yuǎn)攝型物鏡遠(yuǎn)攝型物鏡，適于做長(zhǎng)，適于做長(zhǎng)焦距物鏡。它由分離得焦距物鏡。它由分離得很開的正、負(fù)兩個(gè)鏡組很開的正、負(fù)兩個(gè)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(zhǎng)而筒長(zhǎng)卻可較短距雖長(zhǎng)而筒長(zhǎng)卻可較短反遠(yuǎn)攝型物鏡反遠(yuǎn)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(fù)兩鏡組組成，但因負(fù)組在負(fù)兩鏡組組成，但因負(fù)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(zhǎng)的工作距離長(zhǎng)的工作距離, ,相對(duì)孔徑一般相對(duì)孔徑一般為為1:21:21:2.8,1:2.8,視場(chǎng)一般為視場(chǎng)一般為606075758. 場(chǎng)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(chǎng)鏡的透鏡稱為場(chǎng)鏡場(chǎng)鏡的主要作用場(chǎng)鏡的主要作用是：是： 提高邊緣光束入射到探測(cè)器的能力；提高邊緣光束入射到探測(cè)器的能力； 在相同的主光學(xué)系統(tǒng)中，附加場(chǎng)鏡將在相同的主光學(xué)系統(tǒng)中，附加場(chǎng)鏡將減減小小探探測(cè)器的面積。測(cè)器的面積。如果使用同樣探測(cè)器的面積，可擴(kuò)大視場(chǎng)，增加入射的通量；如果使用同樣探測(cè)器的面積，可擴(kuò)大視場(chǎng)，增加入射的通量； 可讓出像面位置

13、來放置調(diào)制器，以解決無處放置調(diào)制器的可讓出像面位置來放置調(diào)制器，以解決無處放置調(diào)制器的問題；問題； 使探測(cè)器光敏面上非均勻光照得以均勻化；使探測(cè)器光敏面上非均勻光照得以均勻化； 當(dāng)使用平像場(chǎng)鏡時(shí)，可獲得平場(chǎng)像面。當(dāng)使用平像場(chǎng)鏡時(shí)，可獲得平場(chǎng)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(cè)器與浸沒透鏡平面間或探測(cè)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(zhì)中折射率較高的介質(zhì)中主要作用是主要作用是顯著地減小探測(cè)顯著地減小探測(cè)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(shè)計(jì)和使用，按浸沒透鏡的設(shè)計(jì)和使用，按物像共軛關(guān)系處理物像共軛關(guān)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(gòu)成，故又稱列同心圓環(huán)狀帶區(qū)構(gòu)成，故又稱環(huán)帶透鏡環(huán)帶透鏡各環(huán)帶的面形在設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)需要分別調(diào)整，互不牽扯，各環(huán)帶的面形在設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)需要分別調(diào)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(diǎn)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(diǎn)18201820年法國(guó)科學(xué)家年法國(guó)科學(xué)家 A.J.A.J.菲涅耳首先在燈塔的導(dǎo)航燈系統(tǒng)中使用菲涅耳首先在燈塔的導(dǎo)航

15、燈系統(tǒng)中使用階梯透鏡，故文獻(xiàn)中多稱之為階梯透鏡，故文獻(xiàn)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(gè)反射面的光學(xué)元件反射系統(tǒng)是至少有一個(gè)反射面的光學(xué)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(xué)表反射面是指按照反射定律使光線有規(guī)則反射的光學(xué)表面面作用作用折轉(zhuǎn)光路折轉(zhuǎn)光路縮小儀器體積縮小儀器體積改變像的正倒關(guān)系等改變像的正倒關(guān)系等1. 平面反射鏡主要性質(zhì)主要性質(zhì)對(duì)實(shí)物成虛像，物和像對(duì)稱于反射面對(duì)實(shí)物成虛像，物和像對(duì)稱于反射面保持入射光線方向不變，若平面鏡偏轉(zhuǎn)保持入射光線方向不變，若平面鏡偏轉(zhuǎn)角，反角，反射光線方向偏轉(zhuǎn)射光線方向偏轉(zhuǎn)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(jiǎn)單的：球面反射鏡工作面為精確的球面，是最簡(jiǎn)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(xué)儀器中的球面鏡多由身就有較高的反射率；但是光學(xué)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(diǎn)特點(diǎn)：無色差無色差。設(shè)曲率半徑為。設(shè)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(zhǎng)無關(guān)，說明球面鏡沒有色差）（與波長(zhǎng)無

17、關(guān)，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(dāng)比例關(guān)系的元件，有時(shí)還要求反射部分和透射部分各者有適當(dāng)比例關(guān)系的元件，有時(shí)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(jī)的分色棱鏡是彩色電視攝像機(jī)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(chǎng)鏡類似，可起到是非成像的聚光元件，與場(chǎng)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(cè)器面積測(cè)器面積的作用的作用可制成空心和實(shí)心兩種類型可制成空心和實(shí)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(xué)元件的物像關(guān)系一一幾何光學(xué)的基本定律幾何光學(xué)的基本定律光的直線傳播定律光的直線傳播定律光的獨(dú)立傳播定律光的獨(dú)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(guān)系，進(jìn)行光學(xué)計(jì)算時(shí)，可對(duì)光路中各為了研究物像關(guān)系，進(jìn)行光學(xué)計(jì)算時(shí)，可對(duì)光路中各光學(xué)參數(shù)的正負(fù)號(hào)作統(tǒng)一規(guī)定（光學(xué)參數(shù)的正負(fù)

19、號(hào)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(hào)；反之為逆向光線自左至右傳播為正向光路，取正號(hào)；反之為逆向光路，取負(fù)號(hào)光路，取負(fù)號(hào)角度角度：以：以主軸主軸或或法線法線轉(zhuǎn)向某光線順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)轉(zhuǎn)向某光線順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)起起點(diǎn)點(diǎn)：不同直線量的坐標(biāo)原點(diǎn)選擇不同：不同直線量的坐標(biāo)原點(diǎn)選擇不同：曲率半徑以球面頂點(diǎn)為原點(diǎn)曲率半徑以球面頂點(diǎn)為原點(diǎn)焦距以主焦點(diǎn)為原點(diǎn)焦距以主焦點(diǎn)為原點(diǎn)物高或像高以其在軸上的投影點(diǎn)為原點(diǎn)，上方為正，下方為負(fù)物高或像高以其在軸上的投影點(diǎn)為原點(diǎn)，上方為正，下方為負(fù)3.2典型光學(xué)元件的物像關(guān)系二二幾種典型元件的物像關(guān)系幾種典型元件的物像

20、關(guān)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(dǎo)導(dǎo)參見參見光學(xué)光學(xué)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(guān)系和等明條件浸沒透鏡的物象關(guān)系和等明條件當(dāng)像面未離開浸沒透鏡而在鏡內(nèi)時(shí)，可把浸沒透鏡看成是當(dāng)像面未離開浸沒透鏡而在鏡內(nèi)時(shí)，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(guān)系有。按折射球面的物像關(guān)系有: :rnnLnLn式中式中n n為浸沒透鏡前介質(zhì)折射率；為浸沒透鏡前介質(zhì)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(shè)物高為設(shè)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(shù)的倒數(shù) B B 叫做浸沒透鏡的叫做浸沒透鏡的浸沒倍率浸沒倍率：?jiǎn)握凵淝蛎嬗邢癫畲嬖?，但在等明點(diǎn)或不暈點(diǎn)處的球單折射球面有像差存在，但在等明點(diǎn)或不暈點(diǎn)處的球差和彗差等于零差和彗差等于零。存在著三個(gè)等明點(diǎn)的物像共軛關(guān)系。存在著三個(gè)等明點(diǎn)的物像共軛關(guān)系。 L= L = 0 L= L = 0 ，物、像點(diǎn)重合在球面上，這沒有實(shí)用意義；，物、像

22、點(diǎn)重合在球面上，這沒有實(shí)用意義； L= r = L L= r = L 即物、像點(diǎn)均在折射球面的曲率中心上；即物、像點(diǎn)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(shí)，時(shí)，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(chǎng)角不變情況下，探測(cè)器光敏面積也縮小到視場(chǎng)角不變情況下，探測(cè)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(biāo)準(zhǔn)超半球浸沒透鏡標(biāo)準(zhǔn)超半球浸沒透鏡符合上述等明條件符合上述等明條件時(shí)，時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)超半球浸沒透鏡標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)角不變情況下，探測(cè)器光敏面積也縮小到視場(chǎng)角不變情況下，探測(cè)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(xué)元件的物像關(guān)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(huì)有變化隨著物距的變化，像距也會(huì)有變化焦深焦深：匯聚到焦點(diǎn)上的光束，在焦點(diǎn)處的截面最小但在焦點(diǎn)兩側(cè)一：匯聚到焦點(diǎn)上的光束，在焦點(diǎn)處的截面最小但在焦點(diǎn)兩側(cè)一個(gè)短距離內(nèi)，光束的橫截面積基本相同。因此，對(duì)于給定的物距，個(gè)短距離內(nèi)，光束的橫截面積基本相同。因此，對(duì)于給定的物距，有一個(gè)很小的軸距范圍，在此范圍內(nèi)，像點(diǎn)呈現(xiàn)同樣的明亮程度有一個(gè)很小的軸距范圍，在此范圍內(nèi)，像點(diǎn)呈現(xiàn)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(shí)，有焦距固定時(shí)，有2/4數(shù)fd2/2222Dffx數(shù)一個(gè)一個(gè)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(zhì)。位置和成像的性質(zhì)。解解（1）P經(jīng)凹球面折射成像：經(jīng)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(jīng)凹球面反射成像：）該虛像經(jīng)凹球面反射成像：,3012cmSS,152cmr222211rSS,15230112S,cm102S312222SSSSnn（令（令 ）即成倒立、縮小的實(shí)像。即成倒立、縮小的實(shí)像。 nn（3）光線自右向左經(jīng)凸球面折射成像：）光線自右向左經(jīng)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(shí)像。即成正立、放大的實(shí)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(shí)像。倍的倒立的實(shí)像。總的橫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(guān)系式物象關(guān)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?。幌窨s?。?，像放大像放大。 2.3幾個(gè)參數(shù)1.1.

28、視場(chǎng)和視場(chǎng)角視場(chǎng)和視場(chǎng)角視場(chǎng)視場(chǎng)：探測(cè)器通過光學(xué)系統(tǒng)能感知目標(biāo)存在的空間范圍探測(cè)器通過光學(xué)系統(tǒng)能感知目標(biāo)存在的空間范圍視場(chǎng)角視場(chǎng)角：度量視場(chǎng)大小的立體角度量視場(chǎng)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(chǎng)光闌和視場(chǎng)光闌(field stop)(field stop)透鏡的大小透鏡的大小照相機(jī)的光圈照相機(jī)的光圈底片的尺寸等等底片的尺寸等等實(shí)際成像系統(tǒng)對(duì)成像光線的限制，例：實(shí)際成像系統(tǒng)對(duì)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(jiǎn)稱孔徑光闌，簡(jiǎn)稱孔闌孔闌。（1 1） 保證近軸條件，改善成像質(zhì)量（像的清晰度），控制景深。保證近軸條件，改善成像質(zhì)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(chǎng)光闌視場(chǎng)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(chǎng)光闌，簡(jiǎn)稱場(chǎng)闌。的，稱為視場(chǎng)光闌，簡(jiǎn)稱場(chǎng)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(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌物點(diǎn)物點(diǎn)A AB BAABB孔徑光闌孔徑光闌視場(chǎng)光闌視場(chǎng)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(duì)前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像孔徑光闌對(duì)前方光學(xué)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(duì)后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像對(duì)后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像在這個(gè)系統(tǒng)中，孔徑光闌同時(shí)也是出瞳在這個(gè)系統(tǒng)中，孔徑光闌同時(shí)也是出瞳孔徑光闌孔徑光闌入瞳入瞳- - 孔徑光闌對(duì)前方系孔徑光闌對(duì)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(gè)系統(tǒng)中，孔徑光闌同時(shí)也是入瞳在這個(gè)系統(tǒng)中，孔徑光闌同時(shí)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(duì)后方系對(duì)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(diǎn)位置有關(guān)與光軸上物點(diǎn)位置有關(guān)，欲確定孔闌

32、，欲確定孔闌，必必須首先明確是對(duì)光軸上哪個(gè)物須首先明確是對(duì)光軸上哪個(gè)物點(diǎn)。點(diǎn)。 將系統(tǒng)所有的通光孔成像于光學(xué)將系統(tǒng)所有的通光孔成像于光學(xué)系統(tǒng)的物空間，其中對(duì)軸上物點(diǎn)張系統(tǒng)的物空間，其中對(duì)軸上物點(diǎn)張角最小者，稱為入瞳，入瞳對(duì)應(yīng)角最小者，稱為入瞳，入瞳對(duì)應(yīng)的的實(shí)體叫實(shí)體叫做做孔闌。孔闌。 孔闌對(duì)后光學(xué)系統(tǒng)的像，為出射光瞳，簡(jiǎn)稱孔闌對(duì)后光學(xué)系統(tǒng)的像，為出射光瞳，簡(jiǎn)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(diǎn)位置的關(guān)系孔徑光闌與物點(diǎn)位置的關(guān)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(jī)鏡頭的孔徑光闌、光瞳某種相機(jī)鏡頭的孔徑光闌、光瞳只有只有L L1 1時(shí)，時(shí)， L L1 1對(duì)對(duì)P P點(diǎn)發(fā)出的光束孔徑限制最厲害。點(diǎn)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(shí)，）時(shí)，L L2 2對(duì)對(duì)P P點(diǎn)發(fā)出的光束孔徑限制最厲害。點(diǎn)發(fā)出的光束孔徑限制最厲害。加上加上DDDD時(shí)，時(shí)，DDDD對(duì)對(duì)P P點(diǎn)發(fā)出的光束孔徑限制最點(diǎn)發(fā)出的光束孔徑限制最厲害。厲害。PL1DDPL23.3.相對(duì)孔徑和相對(duì)孔徑和 f/f/數(shù)數(shù)相對(duì)孔徑相對(duì)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(duì)像面照度有很大影響，越大，聚光能力越強(qiáng)，同樣條件下照對(duì)像面照度有很大影響，越大，聚光能力越強(qiáng)，同樣條件下照度越大度越大f/ f/ 數(shù)數(shù)：相對(duì)孔徑：相對(duì)孔徑 的倒數(shù)的倒數(shù)fD/fD/f f / /D= f D= f / / 數(shù)數(shù) 以以 f f / /n no o表示，將表示，將 f f / / 數(shù)的數(shù)值寫數(shù)的數(shù)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(shù)為數(shù)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(jiǎn)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(gè)物點(diǎn)唯一地變換成一個(gè)像點(diǎn)；）不能將一個(gè)物點(diǎn)唯一地變換成一個(gè)像點(diǎn)； 或者或者 2 2）物像平面上各點(diǎn)的線放大率不同）物像平面上各點(diǎn)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(fù)色光復(fù)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：?jiǎn)紊珕紊癫钕癫畹膩碓吹膩碓辞蛎媲蛎嫦到y(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(duì)應(yīng)物像一一對(duì)應(yīng)! 9! 7! 5! 3sin9753uuuuuu- -u uuuP PPP非近軸情況下，三次冪以上項(xiàng)不能忽略非近軸情況下，三次冪以上項(xiàng)不能忽略出現(xiàn)三級(jí)以上像差出現(xiàn)三級(jí)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(jí)像差三級(jí)像差( (或初級(jí)像差或初級(jí)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(chǎng)曲場(chǎng)曲(curvature of (curvature of field)field)4) 4) 畸變畸變(distortion)(distortion)! 9! 7! 5! 3s