大学光学L5光阑课件

9 9 9 9 光光光光 阑阑阑阑1）光阑定义：光阑定义：光具组内光学元件的边缘、框架光具组内光学元件的边缘、框架或特别设置的带孔屏障称为光阑。或特别设置的带孔屏障称为光阑。2）光阑的种类光阑的种类：孔径光阑和视场光阑，孔径光阑和视场光阑，所谓视场就是能成像的物面范围所谓视场就是能成像的物面范围。3）孔径光阑和视场光阑孔径光阑和视场光阑对轴上物点光束的口径（立体角对轴上物点光束的口径（立体角或者发光截面）限制得最多或者发光截面）限制得最多的光阑称为的光阑称为孔径光阑孔径光阑(有效光阑有效光阑)。对光具组成像的视场限制最多的对光具组成像的视场限制最多的光阑称为光阑称为视场光阑视场光阑。44）注意）注意）注意）注意：孔径光阑限制成像物点的光束口径，孔径光阑限制成像物点的光束口径，视场光阑限制成像的物面范围，即物点个数。视场光阑限制成像的物面范围，即物点个数。5）确定孔径光阑的方法）确定孔径光阑的方法(1)(1)把光具组中所有光阑当作物，把光具组中所有光阑当作物，逐个地相对其前方系统成像。逐个地相对其前方系统成像。(2)(2)由轴上物点向每个像的边缘引直由轴上物点向每个像的边缘引直 线，其中与主光轴所夹锐角最小线，其中与主光轴所夹锐角最小 的即为的即为入射孔径角入射孔径角，对应的像即为对应的像即为入射光瞳入射光瞳，入射，入射光瞳对应的共轭物即为光瞳对应的共轭物即为孔径光阑孔径光阑。（3 3）将孔径光阑向其后方系统成像，）将孔径光阑向其后方系统成像，即为即为出射光瞳出射光瞳。由轴上像点出射。由轴上像点出射 光瞳边缘连直线，与主光轴光瞳边缘连直线，与主光轴所夹所夹 锐角即为锐角即为出射孔径角出射孔径角 。66）注意：）注意：）注意：）注意：（1 1）只能向像的边缘连线来比较谁对）只能向像的边缘连线来比较谁对 光束孔径限制得最厉害。光束孔径限制得最厉害。（2 2）孔径光阑的位置与轴上物点的位置有关。）孔径光阑的位置与轴上物点的位置有关。（3 3）考察的是对轴上物点通光孔径的限制程度。）考察的是对轴上物点通光孔径的限制程度。（4 4）物点在无穷远处时，往往可以直接比较来确定。）物点在无穷远处时，往往可以直接比较来确定。（5 5）确定孔径光阑有两种方法：）确定孔径光阑有两种方法：计算法和作图法计算法和作图法。7）孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳）孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 三者之间的关系和各自的作用三者之间的关系和各自的作用孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳三者之间孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳三者之间 的关系是的关系是物像共轭物像共轭关系。关系。孔径光阑的作用是孔径光阑的作用是控制控制光束的入射和出射能量，光束的入射和出射能量，大多数情况下间接实施控制。大多数情况下间接实施控制。对入射光束的直接控制由入射光瞳来承担，对入射光束的直接控制由入射光瞳来承担，对出射光束的直接控制由出射光瞳来承担。对出射光束的直接控制由出射光瞳来承担。8）主光线和渐晕现象：）主光线和渐晕现象：主光线的定义：通过入射光瞳中心、有效光阑中心和出射光瞳中通过入射光瞳中心、有效光阑中心和出射光瞳中心的光线称为主光线。心的光线称为主光线。每个物点仅对应一条主光线。每个物点仅对应一条主光线。渐晕现象：渐晕现象：像面边缘逐渐变暗的现象。像面边缘逐渐变暗的现象。12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗视视阑阑入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔阑阑像面像面L9）视场光阑的定义）视场光阑的定义对轴外物点的主光线限制最多的对轴外物点的主光线限制最多的光阑称为视场光阑。光阑称为视场光阑。12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗视视阑阑入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔阑阑像面像面L1010）视场光阑的确定方法）视场光阑的确定方法（1 1）由入射光瞳中心向由前方系统所成）由入射光瞳中心向由前方系统所成 像的边缘引直线，其中与主光轴夹像的边缘引直线，其中与主光轴夹 角最小的锐角称为角最小的锐角称为入射视场角入射视场角，对应的像为对应的像为入射窗入射窗，入射窗对应的，入射窗对应的共轭物即为共轭物即为视场光阑视场光阑。12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗视视阑阑入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔阑阑像面像面L（2 2）视场光阑经后方系统所成的像称为）视场光阑经后方系统所成的像称为 出射窗出射窗。出射窗的边缘与出射光瞳。出射窗的边缘与出射光瞳 中心的连线与主光轴所夹锐角称为中心的连线与主光轴所夹锐角称为 出射视场角出射视场角 12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗视视阑阑入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔阑阑像面像面L11111111）注意：）注意：）注意：）注意：在一个完整的光学系统中（两个在一个完整的光学系统中（两个以上光学器件组成的光学系统），以上光学器件组成的光学系统），孔径光阑和视场光阑孔径光阑和视场光阑不能不能由同一个由同一个器件兼任。器件兼任。1212）视场光阑，入射窗和出射窗）视场光阑，入射窗和出射窗 之间的关系之间的关系视场光阑，入射窗和出射窗三者之间视场光阑，入射窗和出射窗三者之间 的关系是的关系是物像共轭物像共轭关系。关系。12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗视视阑阑入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔阑阑像面像面L视场光阑对物面范围和像面范围大小都能视场光阑对物面范围和像面范围大小都能 限制，大多数情况下间接实施控制，限制，大多数情况下间接实施控制，对物面范围的直接限制由入射窗来承担，对物面范围的直接限制由入射窗来承担，对像面范围的直接限制由出射窗来承担。对像面范围的直接限制由出射窗来承担。12341324a D1D2D2D1物物面面入入窗窗视视阑阑入入瞳瞳出出窗窗出出瞳瞳孔孔阑阑像面像面L例题：例题：孔径都等于孔径都等于4cm的两个薄透镜组成同轴光具组，一个透的两个薄透镜组成同轴光具组，一个透镜是会聚的，其焦距为镜是会聚的，其焦距为5cm；另一个是发散的，其焦距为；另一个是发散的，其焦距为10cm。两个透镜中心的距离为。两个透镜中心的距离为4cm。对于会聚透镜前面。对于会聚透镜前面6cm处的物点，试问：处的物点，试问：(1)哪一个透镜是有效光阑？哪一个透镜是有效光阑？(2)入射光瞳和出射光瞳的位置在哪里？其大小各等于多少？入射光瞳和出射光瞳的位置在哪里？其大小各等于多少？（1）将发散透镜作为物对凸透镜成像：）将发散透镜作为物对凸透镜成像：代入高斯公式代入高斯公式像高像高发散透镜经会聚透镜所成的像对物点所张的孔径角为发散透镜经会聚透镜所成的像对物点所张的孔径角为（2）L1为入射光瞳，其直径为为入射光瞳，其直径为4cm。会聚透镜对物点所张的孔径角为会聚透镜对物点所张的孔径角为所以会聚透镜为同轴光具组的有效光阑所以会聚透镜为同轴光具组的有效光阑L1经经L2成的像为出射光瞳，其位置和大小分别为：成的像为出射光瞳，其位置和大小分别为：11 11 11 11 光度学基本概念光度学基本概念光度学基本概念光度学基本概念1 1）光度学和辐射度学）光度学和辐射度学光度学：研究光的强弱的学科光度学：研究光的强弱的学科辐射度学：研究各种电磁辐射强弱的学科辐射度学：研究各种电磁辐射强弱的学科2 2）辐射能通量（辐射功率）和辐射）辐射能通量（辐射功率）和辐射 能通量的谱密度能通量的谱密度单位时间内光源发出或通过一定接收截面单位时间内光源发出或通过一定接收截面的辐射能的辐射能 单位：瓦单位：瓦 辐射能通量的谱密度：辐射能通量的谱密度：辐射能通量辐射能通量 的定义：的定义：3)3)视见函数视见函数定义：定义：V=1 实验表明：实验表明：要引起与要引起与1mw1mw的的5550A5550A的绿光相同亮暗感觉的的绿光相同亮暗感觉的 4000A 4000A紫光需要紫光需要2.5w.2.5w.时，时，在在4000A-7600A范围以外，范围以外，V实际上已趋于实际上已趋于04)4)适光性和适暗性视见函数适光性和适暗性视见函数 由于眼睛里的圆锥和圆柱视神经细胞由于眼睛里的圆锥和圆柱视神经细胞 在分别起作用，形成了在分别起作用，形成了适光性适光性和和适暗性适暗性 视见函数。视见函数。在昏暗的环境中，视见函数在昏暗的环境中，视见函数的极大值朝短波方向移动。的极大值朝短波方向移动。所以在月光朦胧的夜晚，总所以在月光朦胧的夜晚，总感到周围的一切笼罩了一层感到周围的一切笼罩了一层蓝绿的色彩。蓝绿的色彩。5)光通量光通量定义：定义：光源发出的辐射能通量通过视见函光源发出的辐射能通量通过视见函数的权重因子折合成对人眼起作用数的权重因子折合成对人眼起作用的有效视觉强度称为光通量。的有效视觉强度称为光通量。单位：单位：流明，流明，记作：记作：有：有：或者：或者：最大光功当量，最大光功当量，6)6)发光强度和辐射强度发光强度和辐射强度（1）点光源和面光源：）点光源和面光源：（2）发光强度）发光强度 I：单位立体角内发出的光通量：单位立体角内发出的光通量，单位：坎德拉，其中，点光源点光源r（33）注意：）注意：）注意：）注意：（a）发光强度的符号与光强的符号虽然相同，但与光强不是一个概念。（b）发光强度与方向有关，方向不同 发光强度不同。（4）辐射强度：单位立体角内发出的辐射通量）辐射强度：单位立体角内发出的辐射通量，其中，单位：，7 7）光亮度和辐射亮度光亮度和辐射亮度（1）光亮度：面元）光亮度：面元ds沿沿 r方向的光度学亮度方向的光度学亮度B定义为在此方向上单位投影面积的发光强度定义为在此方向上单位投影面积的发光强度单位：或 扩展光源扩展光源 法线法线nr（2）辐射亮度：）辐射亮度：单位：单位：，（33）注意：）注意：）注意：）注意：人眼睛感知的是光源的亮度大小，不是发光强度的强弱。8 8）余弦辐射体和朗伯定律）余弦辐射体和朗伯定律（1 1）余弦（朗伯）发射体）余弦（朗伯）发射体朗伯定律：朗伯定律：余弦发射体没有立体感，感到各处余弦发射体没有立体感，感到各处余弦发射体没有立体感，感到各处余弦发射体没有立体感，感到各处一样亮，比如一样亮，比如一样亮，比如一样亮，比如太阳太阳太阳太阳 定义：如果一扩展光源的发光强度定义：如果一扩展光源的发光强度从而其亮度从而其亮度B与方向无关，这类发射体与方向无关，这类发射体称为余弦发射体。称为余弦发射体。证明：证明：太阳中心处：太阳边缘部分的同样方向：因为：（2 2）余弦反射体：）余弦反射体：如积雪、十分粗造的白纸等物体，也遵循朗伯定律。（3 3）定向发射体：）定向发射体：比如：激光器。激光器发出的光束通常是截面S很小而高度平行，从而用不大的辐射功率就可获得极大的辐射亮度。9 9）光照度和辐射照度）光照度和辐射照度（1）光照度定义：照射在单位面积上的光通量）光照度定义：照射在单位面积上的光通量，单位：lx或ph（2）辐射照度定义：照射在单位面积上的辐射通量）辐射照度定义：照射在单位面积上的辐射通量单位：W/cm2或W/m2，（3）点光源的照度，点光源点光源法线法线nr（4）面光源的照度(5)(5)(5)(5)注意：注意：注意：注意：（a）光强的概念与这里的辐射照度）光强的概念与这里的辐射照度 的概念一致。的概念一致。（b）照度是接收的概念，发光强度）照度是接收的概念，发光强度 和亮度是发射的概念。和亮度是发射的概念。（6）例题：）例题：计算如图所示的均匀余弦发射圆盘在轴上一点产生的垂直照度，设盘的半径为R，亮度为B。解：解：，由：讨论：讨论：当当 时，时，圆盘变成点电光源圆盘变成点电光源 此时，此时，照度遵从平方反比律照度遵从平方反比律照度遵从平方反比律照度遵从平方反比律