第四章 光阑和光能计算

1、第四章第四章 光阑和光能计算光阑和光能计算许剑QQ：381203482Phone：138260419412015年秋第四章第四章 光阑和光能计算光阑和光能计算1.孔径光阑；2.视场光阑；3.像平面的光照度；4.光学系统中光能损失的计算；5.景深和焦深。第四章第四章 光阑和光能计算光阑和光能计算l实际光路中，并不是所有的光都是有用的，如何去限制光路中的部分光？l使用光阑！l光阑的作用？l限制部分成像物体的光束；限制来自非成像物体的杂光。l既然限制了部分的光，这将对哪些物理量产生影响？l光能量和成像空间深度！孔径光阑孔径光阑l孔径光阑：限制进入系统的成象光束口径的光阑。l入瞳：孔径光阑经前面的光学

2、系统在物空间所成的像。l出瞳：孔径光阑经后面的光学系统在像空间所成的像。l出瞳可看作是入瞳经整个系统所成之像，入瞳与出瞳是相共轭的。l不同物体，光阑，入（出）瞳一般是不同的！孔径光阑孔径光阑l判断入瞳、出瞳（适用轴上物体）：l将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对其前（后）面的光学系统成像到系统的物（像）空间去，并根据各像的位置及大小求出它们对轴上物（像）点的张角，其中张角最小者为入瞳（出瞳）。l确定孔径光阑：l在确定入（出）瞳后，与l入（出）瞳共轭的实际光l阑即为孔径光阑。孔径光阑孔径光阑l对于轴外物点，有一新的物理量-主光线！l主光线-通过孔径光阑中心的光线；l边缘光线-通过孔径光阑边

3、缘的光线。l主光线或其延长线分别通过光阑和光瞳的中心；l边缘光线或其延长线分别通过光阑和光瞳的边缘。孔径光阑孔径光阑l孔径光阑设置原则：l除了由于某种特殊需要而要求孔径光阑要置于特定位置外，一般情况下的设置原则为：1.大小满足系统对成像光能量的要求和对物体分辨能力的要求；2.位置满足成像质量要求；3.大小和位置应使光学仪器的外形尺寸尽可能小；孔径光阑孔径光阑l物方远心光路：l定义：物方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于物方无限远处；l位置：光阑放置在像方焦平面；l作用：消除或减少由于视差引起的测量误差。孔径光阑孔径光阑l像方远心光路：l定义：像方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于像方无

4、限远处；l位置：光阑放置在物方焦平面；l作用：消除或减少由于调焦引起的测量误差。孔径光阑孔径光阑l场镜：l定义：在连续成像的组合系统中，为了使前一光组的出射光束都能进入后一光组，又不使后一光组的通光口径过大而在中间像平面上加入的减小光束宽度的透镜。l确定场镜焦距的方法：l物像关系式：fll111视场光阑视场光阑l入窗：视场光阑经前面的光组在物空间所成的像；l出窗：视场光阑经后面的光组在象空间所成的像；l视场光阑：用来限制成像范围的光阑；l角视场：入（出）瞳中心与入（出）窗边缘连线的夹角；l线视场：入（出）瞳中心与入（出）窗边缘连线和物面焦点之间的线距离。视场光阑视场光阑l入（出）窗决定了物（像

5、）方视场角的大小；l判断入（出）窗：l将所有光学元件的通光口径分别对其前（后）的光学系统成像到系统的物（像）空间去，并根据各像的位置及大小求出它们对入（出）瞳中心的张角，其中张角最小者为入出）窗。l确定视场光阑：按前面方法确定入（出）窗，与入（出）窗共轭的实际光阑即为视场光阑。视场光阑视场光阑l渐晕：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径所拦截而产生的现象。l线渐晕系数：轴外点与轴上点成像光束在入瞳面上线度之比；l面渐晕系数：轴外点与轴上点成像光束在入瞳面上面积之比。像平面的光照度像平面的光照度l光能计算中的基本物理量l1，如何衡量某处辐射的大小？l定义辐射通量：单位时间内通过单位面积的全部

6、波长的辐射能量l单位：瓦（W）l2，同样辐射通量的不同波长的辐射，人眼的感觉是不同的，如何定义？l定义视见函数：取人眼在最灵敏波长下的视见函数为1，即归一化。l如表4.10de像平面的光照度像平面的光照度l3，以人眼为出发点，如何定义明暗？l定义光通量：能引起人眼视觉的那部分辐射通量l单位：流明（lm）l4，在这里，发光是为了人眼能感受到，如何定义效率？l定义发光效率：光通量与辐射通量之比l由于光通量约定俗成的原因，发光效率没有归一化。0dVe像平面的光照度像平面的光照度l5，如果光源往不同方向的发光强度不同，如何从人眼的角度去定义？l定义发光强度：单位立体角内的光通量l单位：坎德拉（cd）l

7、立体角的定义：l对全空间有：ddI2rdSd4422rrd像平面的光照度像平面的光照度l6，人眼接收的光除了直接来自光源，还会来自于物体的反射，如何定义这时候的光的强度？l定义光照度：单位面积上接受的光通量l单位：勒克司（lx）l人需要适合的光照度才有利于工作，具体见表4.3dSdE像平面的光照度像平面的光照度l7，但物体反射的能力有大小之分，如何处理？l定义光出射度：单位面积上物体发出的光通量l单位：勒克司（lx）l定义反射系数：光出射度与光照度之比l具体例子见表4.4dSdMEM像平面的光照度像平面的光照度l8，发光强度的定义更适用于点光源，如果光源是平面等有形状的，其强度如果定义？l定义

8、光亮度：单位面积单位立体角的光通量l单位：尼特（nt）l光亮度与发光强度的关系：ddSdLcosdSILcos像平面的光照度像平面的光照度l如果考虑有折射的情况，光亮度有什么不同？l立体角 ，单位光通量l假设折射不损耗能量 ，即有：l由折射率公式及其微分l可得：l如果折射中存在光能损失：ddIId2, 12, 12, 1sin2, 12, 12, 1ddSLd11dd22221111sincossincosdIIILdIIIL2221112211coscossinsindIIndIInInIn212212nnkLL212212nnLL像平面的光照度像平面的光照度l以上都是某个点所受的光照度，如

9、果是某个平面呢？l最简单情况是点光源发光到平面，由 容易得：l如果不是点光源，是面光源，有什么不同？l光源需要考虑大小和角度，考虑立体角 ，结果：IdddSrd,cos22cosrIdSdE2211222coscoscosrLdSrIdSdE1 , 221 , 22, 1cosdSrd像平面的光照度像平面的光照度l进一步考虑有光学系统的情况，有什么不同？l入（出）瞳不是微面，还要考虑光学系统两边的折射率。l考虑光源在光轴上：l整个入瞳和出瞳的光通量 和l由光亮度传播规律 ，像面光照度：UdSL2sinsin2dSUL)(nnkLL sin22UnnkLdSE像平面的光照度像平面的光照度l最后考

10、虑轴外像点的情况，对比光轴和主光线，有：l轴外的情况，有什么能做近似的？lM远离光轴，相对来说UM就变的很小：l结果：sin2MMULEcossincos2/ cos/ 2/ costansin22UlDlDUUMMcoscossin442EULEM像平面的光照度像平面的光照度l两灯的发光强度分别为I1=35cd和I2=95cd，两者相距1.5m，将两面都是白色的光屏置于何处才能使屏两侧有相同的照度？l答：设白屏位于两灯的连线之间，如图：l由l可得：222211coscosrIrIEcdIcdImrr95,35,5 . 12121)(933. 0),(567. 021mmrmmr像平面的光照度

11、像平面的光照度l设有一个60w的灯泡，其发光效率为15lm/w，假定把灯泡作为在各方向均匀发光的点光源，求光源的发光强度为多少？在距灯泡2m处的垂直照明的屏上的光照度为多少？l答：灯泡的光通量：l发光强度：l光照度：)(9006015lmP)(66.714900cdI)(915.17cos2lxrIE光学系统中光能损失的计算光学系统中光能损失的计算l光能在传播中总有能量损失，所以 的k肯定小于1。l1，光从一介质透射入另一介质，介面伴随反射损失。l反射系数l透射率：l2，光在光学材料中传播，材料对光有吸收。l设材料光吸收系数为 ，即有吸收损失下的透射率：222221) (tan) (tan) (sin) (sin21nnnnIIIIIIII1)1 (11Nk22Nek212212nnkLL光学系统中光能损失的计算光学系统中光能损失的计算l3，光在反射面上反射，被反射面吸收。l透射率：l 和 的定义为什么不同？l 和 虽然同是反射率，但k1是透射情况下因反射而损失的，k3是直接因反射损失的。l总的透射率：333Nk1)1 (11Nk333Nk1332131321)1 (NNNekkkk景深和焦深景深和焦深l对准焦面：物面；l远景平面