光电成像系统基础

1、中原工学院理学院 曾灏宪中原工学院光电成像系统基础光电信息技术概述本章内容本章内容常用光学元件的作用常用光学元件的作用光学系统参数及象差光学系统参数及象差典型光学系统的组成典型光学系统的组成教学目的教学目的了解光电成像系统的作用及其基本组成和参数了解光电成像系统的作用及其基本组成和参数了解常用的光学元件及其作用了解常用的光学元件及其作用光学调制问题在光学调制问题在“光电电子学光电电子学”中已有详述中已有详述光电成像系统简介发射和接收辐射通量，并把目标的辐射、反射以及散发射和接收辐射通量，并把目标的辐射、反射以及散射会聚到探测器光敏面上射会聚到探测器光敏面上来来成像的系统成像的系统本章内容：常用

2、光学元器件的作用、系统参数及像差、本章内容：常用光学元器件的作用、系统参数及像差、典型光学系统的组成典型光学系统的组成下一章内容下一章内容3.1光学元器件透镜元器件（成像）透镜元器件（成像）反射元器件（改变光的方向）反射元器件（改变光的方向）其它其它1.1. 正透镜和负透镜正透镜和负透镜2.2. 柱面透镜柱面透镜3.3. 放大镜放大镜4.4. 目镜目镜5.5. 显微镜显微镜6.6. 望远镜物镜望远镜物镜7.7. 摄影和投影物镜摄影和投影物镜8.8. 场镜场镜9.9. 浸没透镜浸没透镜10.10.阶梯透镜（菲涅尔透镜）阶梯透镜（菲涅尔透镜）1.1. 平面反射镜平面反射镜2.2. 球面反射镜球面反

3、射镜3.3. 分束元件分束元件4.4. 光锥光锥1.1. 光楔光楔2.2. 干涉滤光片干涉滤光片3.3. 偏振片偏振片一、透镜元器件（成像）以两个折射曲面为边界的透明体称为以两个折射曲面为边界的透明体称为透镜透镜，通常多以，通常多以光学玻璃为原材料，磨制成形后将折射面抛光而成光学玻璃为原材料，磨制成形后将折射面抛光而成两个折射面中两个折射面中可以有一个平面可以有一个平面，但，但两个折射面都是平两个折射面都是平面者不能称为透镜面者不能称为透镜具有相对独立功能的组合体称为具有相对独立功能的组合体称为透镜组透镜组，根据用途的，根据用途的不同，它们又被赋予不同，它们又被赋予物镜物镜、目镜目镜等专门名称

4、等专门名称1. 正透镜和负透镜正透镜具有正的像方焦距值，从而有正的光焦度，能对光束起正透镜具有正的像方焦距值，从而有正的光焦度，能对光束起会聚会聚作用，故又称会聚透镜作用，故又称会聚透镜负透镜具有负的光焦度，对光束起负透镜具有负的光焦度，对光束起发散发散作用，故又称发散透镜作用，故又称发散透镜按形状不同，正透镜可分双凸、平凸和月凸（或正弯月形）透按形状不同，正透镜可分双凸、平凸和月凸（或正弯月形）透镜三种形式，其共同特征是镜三种形式，其共同特征是中心比边缘厚中心比边缘厚负透镜也可分双凹、平凹和月凹负透镜也可分双凹、平凹和月凹( (或负弯月形或负弯月形) )透镜三种形式透镜三种形式, ,其其共同

5、特征是共同特征是中心比边缘薄中心比边缘薄2. 柱面透镜凡是由凡是由两个母线互相平行的柱面，或两个母线互相平行的柱面，或一个柱面和一个平面，或一个柱面和一个平面，或一个柱面和一个球面一个柱面和一个球面组成的透镜都称柱面透镜组成的透镜都称柱面透镜3. 放大镜辅助眼睛观察细小物体的透镜（组）称为放大镜。辅助眼睛观察细小物体的透镜（组）称为放大镜。单片正透镜是一个最简单的放大镜。单片正透镜是一个最简单的放大镜。使用放大镜时，被观察物体使用放大镜时，被观察物体ABAB位于物方焦点上或焦点以内与之很位于物方焦点上或焦点以内与之很靠近的地方，眼睛看到的是物体的虚像靠近的地方，眼睛看到的是物体的虚像ABABt

6、antanM- -l l=250mm=250mm 人眼明视距离人眼明视距离fmmM250焦距越小，焦距越小，倍率越高倍率越高4. 目镜在目视光学仪器中用于观察物体被物镜所成像的在目视光学仪器中用于观察物体被物镜所成像的透镜组透镜组称为目称为目镜镜目镜的作用与放大镜相当，但作为仪器的组成部分，它所能接目镜的作用与放大镜相当，但作为仪器的组成部分，它所能接收的光束已被物镜的像方光束所限定，因此眼睛瞳孔的位置也收的光束已被物镜的像方光束所限定，因此眼睛瞳孔的位置也随之限定，眼睛一定要置于仪器出射光瞳处，才能看到全部视随之限定，眼睛一定要置于仪器出射光瞳处，才能看到全部视场场目镜最后一面至出射目镜最后

7、一面至出射光瞳光瞳的距离为的距离为出瞳距离出瞳距离主要是轴外像差（垂直色差、彗差和像散）主要是轴外像差（垂直色差、彗差和像散）5. 显微镜于于16661666年问世（年问世（LeeuwenhoekLeeuwenhoek），用于观察、研究或摄影记），用于观察、研究或摄影记录极微小的物体及其结构录极微小的物体及其结构(1)(1)显微镜物镜显微镜物镜：显微镜中对微细物体成首次放大像的透镜组，是显微：显微镜中对微细物体成首次放大像的透镜组，是显微镜的镜的核心部件核心部件，决定了显微镜的放大倍数、分辨本领、色差与像差的，决定了显微镜的放大倍数、分辨本领、色差与像差的矫正、工作距离等矫正、工作距离等(2)

8、(2)显微镜目镜显微镜目镜：把物镜所成的像作再一次放大，显微镜的总放大倍数：把物镜所成的像作再一次放大，显微镜的总放大倍数通常就是物镜与目镜放大倍数的乘积通常就是物镜与目镜放大倍数的乘积到目前为止，由于受光学定律的制约，光学显微镜最大的有效放大到目前为止，由于受光学定律的制约，光学显微镜最大的有效放大倍数为倍数为1250130012501300倍，倍，1010目镜是最常用而必备的目镜目镜是最常用而必备的目镜6. 望远镜物镜望远镜系统中把无限远物体成像于其焦平面上的一个望远镜系统中把无限远物体成像于其焦平面上的一个透镜组透镜组eoffM镜筒长度镜筒长度放大率放大率eoffL7. 摄影和投影物镜将

9、空间物体成像于感光胶片或其他接收器上的透镜组，由于各种将空间物体成像于感光胶片或其他接收器上的透镜组，由于各种像差都要矫正，一般都有比较复杂的结构像差都要矫正，一般都有比较复杂的结构下面对一些典型的摄影物镜作简单介绍下面对一些典型的摄影物镜作简单介绍由两个胶合组组成的由两个胶合组组成的珀珀兹伐型物镜兹伐型物镜，它有利于，它有利于校正轴上宽光束像差，校正轴上宽光束像差，可达较大相对孔径可达较大相对孔径(1:2),(1:2),但因结构形式是但因结构形式是两个分离的正透镜组，两个分离的正透镜组，像面弯曲得不到校正，像面弯曲得不到校正，使视场受到限制，只能使视场受到限制，只能小于小于2525, ,最适

10、合作电最适合作电影放映物镜影放映物镜三片式物镜三片式物镜，它是能同它是能同时校正七种像差的最简时校正七种像差的最简单形式，相对孔径和视单形式，相对孔径和视场分别为场分别为1:4.51:4.51:3.51:3.5和和40405050，成像质，成像质量一般，适用于低档照量一般，适用于低档照相机或投影仪相机或投影仪忒萨型物镜忒萨型物镜，与三片式，与三片式物镜相比成像质量有所物镜相比成像质量有所提高，相对孔径为提高，相对孔径为1:3.51:3.51:2.81:2.8，应用比，应用比较广泛较广泛双高斯型物镜双高斯型物镜，在相对，在相对孔径为孔径为1:21:2和视场为和视场为4545时，可以有很好的时，可

11、以有很好的成像质量成像质量, ,在中、高档在中、高档照相机中应用较广。在照相机中应用较广。在此基础上加以复杂化，此基础上加以复杂化，可以得到性能和质量更可以得到性能和质量更高的物镜高的物镜远摄型物镜远摄型物镜，适于做长，适于做长焦距物镜。它由分离得焦距物镜。它由分离得很开的正、负两个镜组很开的正、负两个镜组组成，可使其像方主面组成，可使其像方主面位于物镜之前，因此焦位于物镜之前，因此焦距虽长而筒长却可较短距虽长而筒长却可较短反远摄型物镜反远摄型物镜，适于做短焦，适于做短焦距物镜，它也由分离得正、距物镜，它也由分离得正、负两镜组组成，但因负组在负两镜组组成，但因负组在前，可使像方主面位于物镜前，

12、可使像方主面位于物镜之后，因此焦距虽短而有较之后，因此焦距虽短而有较长的工作距离长的工作距离, ,相对孔径一般相对孔径一般为为1:21:21:2.8,1:2.8,视场一般为视场一般为606075758. 场镜工作在工作在物镜焦面附近物镜焦面附近的透镜称为场镜的透镜称为场镜场镜的主要作用场镜的主要作用是：是： 提高边缘光束入射到探测器的能力；提高边缘光束入射到探测器的能力； 在相同的主光学系统中，附加场镜将在相同的主光学系统中，附加场镜将减减小小探探测器的面积。测器的面积。如果使用同样探测器的面积，可扩大视场，增加入射的通量；如果使用同样探测器的面积，可扩大视场，增加入射的通量； 可让出像面位置

13、来放置调制器，以解决无处放置调制器的可让出像面位置来放置调制器，以解决无处放置调制器的问题；问题； 使探测器光敏面上非均匀光照得以均匀化；使探测器光敏面上非均匀光照得以均匀化； 当使用平像场镜时，可获得平场像面。当使用平像场镜时，可获得平场像面。9. 浸没透镜浸没透镜也是二次聚光元件浸没透镜也是二次聚光元件，是是由球面和平面组成的由球面和平面组成的球冠球冠体体探测器与浸没透镜平面间或探测器与浸没透镜平面间或胶合或光胶，胶合或光胶，使像面浸没在使像面浸没在折射率较高的介质中折射率较高的介质中主要作用是主要作用是显著地减小探测显著地减小探测器的光敏面积，提高信噪比器的光敏面积，提高信噪比浸没透镜的

14、设计和使用，按浸没透镜的设计和使用，按物像共轭关系处理物像共轭关系处理10.阶梯透镜（菲涅耳透镜）阶梯透镜是有阶梯透镜是有“阶梯阶梯”形不连续表面的透镜；形不连续表面的透镜；“阶梯阶梯”由一系由一系列同心圆环状带区构成，故又称列同心圆环状带区构成，故又称环带透镜环带透镜各环带的面形在设计过程中可根据需要分别调整，互不牵扯，各环带的面形在设计过程中可根据需要分别调整，互不牵扯，有利于像差的校正，有厚度小、重量轻、光吸收损失小等优点有利于像差的校正，有厚度小、重量轻、光吸收损失小等优点18201820年法国科学家年法国科学家 A.J.A.J.菲涅耳首先在灯塔的导航灯系统中使用菲涅耳首先在灯塔的导航

15、灯系统中使用阶梯透镜，故文献中多称之为阶梯透镜，故文献中多称之为菲涅耳透镜菲涅耳透镜二、反射元器件（改变光的方向）反射系统是至少有一个反射面的光学元件反射系统是至少有一个反射面的光学元件反射面是指按照反射定律使光线有规则反射的光学表反射面是指按照反射定律使光线有规则反射的光学表面面作用作用折转光路折转光路缩小仪器体积缩小仪器体积改变像的正倒关系等改变像的正倒关系等1. 平面反射镜主要性质主要性质对实物成虚像，物和像对称于反射面对实物成虚像，物和像对称于反射面保持入射光线方向不变，若平面镜偏转保持入射光线方向不变，若平面镜偏转角，反角，反射光线方向偏转射光线方向偏转22角角2. 球面反射镜特征特

16、征：球面反射镜工作面为精确的球面，是最简单的：球面反射镜工作面为精确的球面，是最简单的成像元件之一成像元件之一材料材料：如果用金属制造球面镜，抛光后，金属表面本：如果用金属制造球面镜，抛光后，金属表面本身就有较高的反射率；但是光学仪器中的球面镜多由身就有较高的反射率；但是光学仪器中的球面镜多由玻璃磨制而成，在其抛光的球面上必须镀反射膜以提玻璃磨制而成，在其抛光的球面上必须镀反射膜以提高反射率高反射率分类分类：分为：分为凸面镜凸面镜和和凹面镜凹面镜特点特点：无色差无色差。设曲率半径为。设曲率半径为R R，则球面镜的焦距为，则球面镜的焦距为R R/2/2（与波长无关，说明球面镜没有色差）（与波长无

17、关，说明球面镜没有色差）3. 分束元件分束元件是将入射光通量分割成分束元件是将入射光通量分割成反射反射和和透射透射两部分，并保证二两部分，并保证二者有适当比例关系的元件，有时还要求反射部分和透射部分各者有适当比例关系的元件，有时还要求反射部分和透射部分各有其特定的光谱性能，这样的分束元件可称有其特定的光谱性能，这样的分束元件可称分色元件分色元件如图如图是两种常用的分束元件是两种常用的分束元件如图如图是彩色电视摄像机的分色棱镜是彩色电视摄像机的分色棱镜4. 光锥光锥是一种圆锥体状的聚光镜光锥是一种圆锥体状的聚光镜是非成像的聚光元件，与场镜类似，可起到是非成像的聚光元件，与场镜类似，可起到增加光照

18、度增加光照度或或减小探减小探测器面积测器面积的作用的作用可制成空心和实心两种类型可制成空心和实心两种类型其它元器件1.1.光楔光楔使光束偏向使光束偏向2.2.干涉滤光片干涉滤光片分割光谱带分割光谱带利用干涉相消使之只允许光谱带中的一段通过利用干涉相消使之只允许光谱带中的一段通过3.3.偏振片偏振片3.2典型光学元件的物像关系一一几何光学的基本定律几何光学的基本定律光的直线传播定律光的直线传播定律光的独立传播定律光的独立传播定律光的反射和折射定律光的反射和折射定律为了研究物像关系，进行光学计算时，可对光路中各为了研究物像关系，进行光学计算时，可对光路中各光学参数的正负号作统一规定（光学参数的正负

19、号作统一规定（也可不作要求也可不作要求）方向方向：光线自左至右传播为正向光路，取正号；反之为逆向光线自左至右传播为正向光路，取正号；反之为逆向光路，取负号光路，取负号角度角度：以：以主轴主轴或或法线法线转向某光线顺时针为正，逆时针为负转向某光线顺时针为正，逆时针为负起起点点：不同直线量的坐标原点选择不同：不同直线量的坐标原点选择不同：曲率半径以球面顶点为原点曲率半径以球面顶点为原点焦距以主焦点为原点焦距以主焦点为原点物高或像高以其在轴上的投影点为原点，上方为正，下方为负物高或像高以其在轴上的投影点为原点，上方为正，下方为负3.2典型光学元件的物像关系二二几种典型元件的物像关系几种典型元件的物像

20、关系1.1.球面反射镜球面反射镜2.2.单球面折射单球面折射3.3.球面透镜球面透镜fSS111fRSS1211具体推具体推导导参见参见光学光学RnnSnSn1（高斯物像公式）（高斯物像公式）4.4.浸没透镜浸没透镜(1)(1)浸没透镜的物象关系和等明条件浸没透镜的物象关系和等明条件当像面未离开浸没透镜而在镜内时，可把浸没透镜看成是当像面未离开浸没透镜而在镜内时，可把浸没透镜看成是单球单球面折射成像面折射成像。按折射球面的物像关系有。按折射球面的物像关系有: :rnnLnLn式中式中n n为浸没透镜前介质折射率；为浸没透镜前介质折射率；nn为为浸没透镜材料的折射率；浸没透镜材料的折射率；r r

21、是球面半径。是球面半径。设物高为设物高为y y，像高为，像高为yy，则垂轴放大率为，则垂轴放大率为如果浸没透镜置于空气中，如果浸没透镜置于空气中，n =1n =1，成像面与光敏面重合，则有，成像面与光敏面重合，则有LnnLyyrLnnLnnL11(1)常把常把的倒数的倒数 B B 叫做浸没透镜的叫做浸没透镜的浸没倍率浸没倍率：单折射球面有像差存在，但在等明点或不晕点处的球单折射球面有像差存在，但在等明点或不晕点处的球差和彗差等于零差和彗差等于零。存在着三个等明点的物像共轭关系。存在着三个等明点的物像共轭关系。 L= L = 0 L= L = 0 ，物、像点重合在球面上，这没有实用意义；，物、像

22、点重合在球面上，这没有实用意义； L= r = L L= r = L 即物、像点均在折射球面的曲率中心上；即物、像点均在折射球面的曲率中心上；物距和像距分别为：物距和像距分别为：L =r(L =r(n+nn+n)/n)/n，L=r(L=r(n+nn+n)/n)/n) ( 1LLrnrnyyB(2)(2)半球浸没透镜半球浸没透镜符合上述等明条件符合上述等明条件时，时，L= L= r r 的的透透镜，镜，无球差和慧差。无球差和慧差。像高缩小到像高缩小到像面面积缩小到像面面积缩小到视场角不变情况下，探测器光敏面积也缩小到视场角不变情况下，探测器光敏面积也缩小到 ，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)标准超半球浸没透镜标准超半球浸没透镜符合上述等明条件符合上述等明条件时，时，LL r r 的透的透镜，镜，如果消除如果消除了球差、了球差、慧差和像散，慧差和像散，则称为则称为 标准超半球浸没透镜标准超半球浸没透镜像高缩小到像高缩小到像面面积缩小到像面面积缩小到视场角不变情况下，探测器光敏面积也缩小到视场角不变情况下，探测器光敏面积也缩小到 ，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、典型光学元件的物像关系三三景深和焦深景深和焦深由牛顿公式由牛顿公式 可知可知随着物距的变化，像距也会有变化随着物距的变化，像距也会有变化焦深焦深：汇聚到焦点上的光束，在焦点处的截面最小但在焦点两侧一：汇聚到焦点上的光束，在焦点处的截面最小但在焦点两侧一个短距离内，光束的横截面积基本相同。因此，对于给定的物距，个短距离内，光束的横截面积基本相同。因此，对于给定的物距，有一个很小的轴距范围，在此范围内，像点呈现同样的明亮程度有一个很小的轴距范围，在此范围内，像点呈现同样的明亮程度（照度），这一距离称为焦深（照度），这一距离称为焦深景深景深：如果物距的变化引起像距的变化量等于焦深，则此物距变化：如果

25、物距的变化引起像距的变化量等于焦深，则此物距变化量称为景深量称为景深ffxxxfx2焦距固定时，有焦距固定时，有2/4数fd2/2222Dffx数一个一个月月凸薄透镜的两表面半径凸薄透镜的两表面半径r1、r2分分别为别为20cm和和15cm，薄透镜折射率为，薄透镜折射率为1.5，在凸面镀银。在球面前方，在凸面镀银。在球面前方40cm处处的主轴上置一高为的主轴上置一高为1cm的物，求像的的物，求像的位置和成像的性质。位置和成像的性质。解解（1）P经凹球面折射成像：经凹球面折射成像：S1=-40cm，n=1.0，n=1.5，r1=-20cm，代入，代入 即即正立、缩小的虚像。正立、缩小的虚像。 ,

26、111rnnSnSn,205 . 0400 . 15 . 11S301S21111SnnS（2）该虚像经凹球面反射成像：）该虚像经凹球面反射成像：,3012cmSS,152cmr222211rSS,15230112S,cm102S312222SSSSnn（令（令 ）即成倒立、缩小的实像。即成倒立、缩小的实像。 nn（3）光线自右向左经凸球面折射成像：）光线自右向左经凸球面折射成像： 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、放大的实像。即成正立、放大的实像。 即即最后成像于透镜左方最后成像于透镜左方8cm处处，大，大小是原小是原物物0.2倍的倒立

27、的实像。倍的倒立的实像。总的横向放大率总的横向放大率 103s2013 rr5 . 1n0 . 1n205 . 11105 . 113s83s2 . 1) 1()8(0 . 15 . 1333ssnn2 . 02 . 1)31(5 . 0321物象关系式物象关系式焦距焦距横向放大率横向放大率单球面折射单球面折射单球面反射单球面反射平面折射平面折射rnnSnSnnfnfnnff1SfSf高斯公式高斯公式ffxx牛顿公式牛顿公式SS 2rf 111fSSfxxfyySnnSSnnS0SnSn0SnnS像倒立像倒立00像正立像正立1|1|1|像缩小；像缩小； ，像放大像放大。 2.3几个参数1.1.

28、视场和视场角视场和视场角视场视场：探测器通过光学系统能感知目标存在的空间范围探测器通过光学系统能感知目标存在的空间范围视场角视场角：度量视场大小的立体角度量视场大小的立体角 单位：球面度（单位：球面度（srsr）Q Qd dff2arctan2fdQ 2.2.光阑（光阑（stopstop）和光瞳（）和光瞳（pupilpupil）孔径光阑孔径光阑(aperture stop)(aperture stop)和视场光阑和视场光阑(field stop)(field stop)透镜的大小透镜的大小照相机的光圈照相机的光圈底片的尺寸等等底片的尺寸等等实际成像系统对成像光线的限制，例：实际成像系统对成像光

29、线的限制，例： 光阑：光阑：限制成像光束的孔或屏限制成像光束的孔或屏1) 1) 光阑的作用：光阑的作用： 2) 2) 光阑的种类：光阑的种类：（1 1） 孔径光阑孔径光阑：所有挡：所有挡光孔中光孔中, ,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，称为称为孔径光阑，简称孔径光阑，简称孔阑孔阑。（1 1） 保证近轴条件，改善成像质量（像的清晰度），控制景深。保证近轴条件，改善成像质量（像的清晰度），控制景深。（2 2） 控制成像物空间的范围。控制成像物空间的范围。（3 3） 控制像面的亮度。控制像面的亮度。A AB BAABB孔径光阑孔径光阑底底片片（2 2）视场光阑视场光阑 ：

30、挡光孔中：挡光孔中, ,最有效最有效的控制成像的控制成像物空间物空间范围范围的，称为视场光阑，简称场阑。的，称为视场光阑，简称场阑。瞳孔瞳孔人眼瞳孔：人眼瞳孔：孔径光阑孔径光阑窗窗：窗：视场光阑视场光阑物点物点A AB BAABB孔径光阑孔径光阑视场光阑视场光阑底片底片区别？区别？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径：限制入射光束的有效孔径, , 是是孔径光阑对前方光学系统所成的像孔径光阑对前方光学系统所成的像孔径光阑在孔径光阑在物空间物空间中的等效孔径中的等效孔径 孔径光阑在孔径光阑在像空间像空间中的等效孔径中的等效孔径 出射光瞳出射

31、光瞳( (出瞳出瞳) )：限制出射光束的有效孔径：限制出射光束的有效孔径, , 是孔径光阑是孔径光阑对后方光学系统所成的像对后方光学系统所成的像在这个系统中，孔径光阑同时也是出瞳在这个系统中，孔径光阑同时也是出瞳孔径光阑孔径光阑入瞳入瞳- - 孔径光阑对前方系孔径光阑对前方系 统成的像统成的像入射孔径角入射孔径角出射孔径角出射孔径角u uuu在这个系统中，孔径光阑同时也是入瞳在这个系统中，孔径光阑同时也是入瞳孔径光阑孔径光阑出瞳出瞳-孔径光阑孔径光阑对后方系对后方系统成统成的像的像uu入射孔径角入射孔径角出射孔径角出射孔径角 孔径光阑孔径光阑与光轴上物点位置有关与光轴上物点位置有关，欲确定孔阑

32、，欲确定孔阑，必必须首先明确是对光轴上哪个物须首先明确是对光轴上哪个物点。点。 将系统所有的通光孔成像于光学将系统所有的通光孔成像于光学系统的物空间，其中对轴上物点张系统的物空间，其中对轴上物点张角最小者，称为入瞳，入瞳对应角最小者，称为入瞳，入瞳对应的的实体叫实体叫做做孔阑。孔阑。 孔阑对后光学系统的像，为出射光瞳，简称孔阑对后光学系统的像，为出射光瞳，简称出瞳。出瞳。怎样确定孔阑？怎样确定孔阑？P P1 1P P1 1P P2 2P P2 2u u1 1u u2 2 孔径光阑与物点位置的关系孔径光阑与物点位置的关系？入瞳入瞳出瞳出瞳u uuu孔径光阑孔径光阑出瞳出瞳入瞳入瞳？共轭共轭入瞳入

33、瞳出瞳出瞳共轭共轭共轭共轭入瞳入瞳出瞳出瞳孔径光阑孔径光阑某种相机镜头的孔径光阑、光瞳某种相机镜头的孔径光阑、光瞳只有只有L L1 1时，时， L L1 1对对P P点发出的光束孔径限制最厉害。点发出的光束孔径限制最厉害。加上加上L L2 2（小于（小于L L1 1）时，）时，L L2 2对对P P点发出的光束孔径限制最厉害。点发出的光束孔径限制最厉害。加上加上DDDD时，时，DDDD对对P P点发出的光束孔径限制最点发出的光束孔径限制最厉害。厉害。PL1DDPL23.3.相对孔径和相对孔径和 f/f/数数相对孔径相对孔径：孔径光阑孔径光阑( (物镜物镜) )的直径与物镜焦距之比的直径与物镜焦

34、距之比对像面照度有很大影响，越大，聚光能力越强，同样条件下照对像面照度有很大影响，越大，聚光能力越强，同样条件下照度越大度越大f/ f/ 数数：相对孔径：相对孔径 的倒数的倒数fD/fD/f f / /D= f D= f / / 数数 以以 f f / /n no o表示，将表示，将 f f / / 数的数值写数的数值写在在 n no o 处处。例：物镜例：物镜 f f =160mm=160mm，口径，口径D=20mm D=20mm f f / / 数为数为 160160/ /20 = 820 = 8，记为，记为 f f / /8 8 。 f /8f /8-表示系统的焦距是口径的表示系统的焦距

35、是口径的8 8倍倍2/ fDE 2.4像差简介1.1.像差的基本概念像差的基本概念如果成像系统：如果成像系统： 1 1）不能将一个物点唯一地变换成一个像点；）不能将一个物点唯一地变换成一个像点； 或者或者 2 2）物像平面上各点的线放大率不同）物像平面上各点的线放大率不同像差像差单色像差单色像差(monochromatic aberration(monochromatic aberration) )色差色差(chromatic aberration(chromatic aberration) )复色光复色光形成像差形成像差单色光单色光形成像差形成像差- -u uuuP PPP! 9! 7! 5

36、! 3sin9753uuuuuuuu sin近轴条件下：近轴条件下：单色单色像差像差的来源的来源球面球面系统在系统在近轴条件近轴条件下可以下可以理想成像理想成像物像一一对应物像一一对应! 9! 7! 5! 3sin9753uuuuuu- -u uuuP PPP非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略出现三级以上像差出现三级以上像差 球面系统不能理想成像球面系统不能理想成像三级像差三级像差( (或初级像差或初级像差)-5)-5种：种： 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)和和场曲场曲(curvature of (curvature of field)field)4) 4) 畸变畸变(distortion)(distortion)! 9! 7! 5! 3s