光线的光路计算及像差概述讲稿.ppt

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1、光线的光路计算及像差概述第一页，讲稿共四十一页哦发光效率发光效率：一个辐射体或光源发出的总的光通量：一个辐射体或光源发出的总的光通量与总辐射能量之比称为发光效率，用与总辐射能量之比称为发光效率，用 表示。表示。光源表面的辐射通量中能对人眼引起视觉的光源表面的辐射通量中能对人眼引起视觉的那一部分通量，称为那一部分通量，称为光通量光通量，以，以 表示。表示。光通量光通量等于辐射通量与视见函数的乘积等于辐射通量与视见函数的乘积。光通量的单位是流明，记作光通量的单位是流明，记作 。第二页，讲稿共四十一页哦第二节 发光强度立体角的单位是立体角的单位是球面度球面度，记作，记作srsr。如果在如果在 立体角

2、范围内传递的光通量为立体角范围内传递的光通量为 ，则：，则：称为该点光源在这个方向上的称为该点光源在这个方向上的发光强度发光强度。发光强度的单位是坎德拉，记作发光强度的单位是坎德拉，记作CaCa。第三页，讲稿共四十一页哦第三节 光照度和面发光度 光照度光照度E E是投射在受射面上的是投射在受射面上的dsds面元上的总光面元上的总光通量通量 与该面元的比值。与该面元的比值。光照度在数值上等于光照度在数值上等于照射在物体单位面积上的照射在物体单位面积上的总光通量。总光通量。光照度的单位是勒克斯，记作光照度的单位是勒克斯，记作 。第四页，讲稿共四十一页哦 有限大小的面光源，在有限大小的面光源，在光源

3、表面上有一元面积光源表面上有一元面积 ，它向各方向辐射光通量，若它向各方向辐射光通量，若此面积元此面积元 向各方向辐射出向各方向辐射出的总光通量为的总光通量为 ，有：，有：M M称为面发光度，也称光出射度称为面发光度，也称光出射度,单位是单位是 。第五页，讲稿共四十一页哦第四节 光源的光亮度 这个式子说明了，这个式子说明了，i i方向的光亮度方向的光亮度 是投影是投影到到i i方向的单位面积上的发光强度的大小。方向的单位面积上的发光强度的大小。i i方向的光亮度看成是投影到方向的光亮度看成是投影到i i方向的单位面积单方向的单位面积单位立体角内的光通量的大小。位立体角内的光通量的大小。光亮度的

4、单位是光亮度的单位是坎德拉每平方米坎德拉每平方米(cd/m2)第六页，讲稿共四十一页哦 上式表明，光亮度为上式表明，光亮度为常数的光源在各个方向上的常数的光源在各个方向上的发光强度随方向角的余弦而发光强度随方向角的余弦而变。变。图中对图中对I IN N旋转旋转3603600 0均适用。满足上式的发光强度均适用。满足上式的发光强度规律的面发光体称为余弦辐射体或朗伯发光体。规律的面发光体称为余弦辐射体或朗伯发光体。第七页，讲稿共四十一页哦第五节 光能通过介质传递时的损失光学系统中光能损失有三方面的原因：光学系统中光能损失有三方面的原因：1.1.光学材料内部吸收损失，取决于光学材料的光学材料内部吸收

5、损失，取决于光学材料的吸收系数；吸收系数；2.2.光学玻璃界面上的反射损失，取决于界面的透光学玻璃界面上的反射损失，取决于界面的透过率和透射界面的数量；过率和透射界面的数量；3.3.金属反射面的吸收损失，取决于金属表面的反射金属反射面的吸收损失，取决于金属表面的反射率及金属反射面的数量。率及金属反射面的数量。第八页，讲稿共四十一页哦第六节 光能量在光学系统中的传递光通量从物面到像面可以分为三部分计算：光通量从物面到像面可以分为三部分计算：1.1.计算从物面元传递到入瞳的光通量计算从物面元传递到入瞳的光通量 2.2.计算从入瞳传递到出瞳的光通量计算从入瞳传递到出瞳的光通量 3.3.计算从出瞳传递

6、到像面的光通量计算从出瞳传递到像面的光通量第九页，讲稿共四十一页哦三、像面亮度三、像面亮度近轴小视场，近轴小物体近轴小视场，近轴小物体像面亮度与物面亮度的关系：像面亮度与物面亮度的关系：第十页，讲稿共四十一页哦四、像面照度四、像面照度光屏或感光材料上的照度为：光屏或感光材料上的照度为：可得到：可得到：式中式中 。如果光学系统的如果光学系统的 越大，像面的照度越大，像面的照度 越小。越小。第十一页，讲稿共四十一页哦五、大视场系统轴外像面照度五、大视场系统轴外像面照度 上式表明轴外视场上式表明轴外视场 处的照度以处的照度以 衰衰减，对于大视场的系统视场边缘处的照度将迅速减，对于大视场的系统视场边缘

7、处的照度将迅速衰减。衰减。第十二页，讲稿共四十一页哦第七章 光线的光路计算及像差概述(1)第十三页，讲稿共四十一页哦 像差分为像差分为单色像差单色像差和和色像差色像差。单色像差是单色光成像产生的成像缺陷，有单色像差是单色光成像产生的成像缺陷，有球球差差、慧差慧差、像散像散、像面弯曲像面弯曲和和畸变畸变。色像差由非单色光成像产生的成像缺陷，有色像差由非单色光成像产生的成像缺陷，有位置色差位置色差和和倍率色差倍率色差。由于视场和孔径增大及成像光束的非单色性引起的成由于视场和孔径增大及成像光束的非单色性引起的成像缺陷称为像缺陷称为像差像差。第十四页，讲稿共四十一页哦球差球差第十五页，讲稿共四十一页哦

8、第十六页，讲稿共四十一页哦像面弯曲像面弯曲第十七页，讲稿共四十一页哦第十八页，讲稿共四十一页哦第十九页，讲稿共四十一页哦具有代表性的光路：具有代表性的光路：1.1.近轴光线的光路计算，这是为了求得高斯像近轴光线的光路计算，这是为了求得高斯像面的位置和高斯像的大小以及进行初级像差计算所面的位置和高斯像的大小以及进行初级像差计算所必须的；必须的；2.2.含轴面或子午面内光线的光路计算，这是求大部分含轴面或子午面内光线的光路计算，这是求大部分像差所必须的；像差所必须的；3.3.沿主光线的细光束像差计算，这是求像散和像面沿主光线的细光束像差计算，这是求像散和像面弯曲所必须的；弯曲所必须的；4.4.子午

9、面外光线或空间光线的光路计算，这是对子午面外光线或空间光线的光路计算，这是对成像质量作全面了解所必须的。成像质量作全面了解所必须的。第二十页，讲稿共四十一页哦第一节 子午面内光线的光路计算 子午面子午面就是由轴外物点和光轴组成的平面。就是由轴外物点和光轴组成的平面。弧矢弧矢面面是通过物点或像点与子午面垂直的平面。是通过物点或像点与子午面垂直的平面。第二十一页，讲稿共四十一页哦一一.近轴光路计算近轴光路计算 子午面子午面由轴外物点和光轴组成的平面。弧矢面弧矢面通过物点或像点与子午面垂直的平面。子午面内的近轴光线光路计算公式：向下一面过度公式：折射率、孔径角、物距。利用以上公式逐面计算就可以由物方

10、的量 l,u 得到像方的量 l ,u。第二十二页，讲稿共四十一页哦 计算近轴光线要计算第一近轴光线和第二近轴光线。第一近轴光线第一近轴光线是从物体轴上点发出的用上述近轴光路计算公式进行计算的一条光线。为了计算初级像差，一般起始值选择：是轴上的物点发出的通过入瞳边缘的最大孔径角。第二近轴光线第二近轴光线是由轴外物点发出的通过入瞳中心的光线，采用近轴光路计算公式进行计算。计算第二近轴光线的起始值：式中 是最大视场角，计算第二近轴光线的目的是求得高斯像的大小。第二十三页，讲稿共四十一页哦 逐面进行光路计算，得到第 k 面出射的共扼光线lk 和 uk。显然 lk就是轴上物点A1的高斯像点 Aok的位置

11、，而且第一近轴光线必须从出瞳边缘射出 在像方得到第二近轴光线的共扼出射光线 lzk 和uzk,lzk就表示出瞳的位置，有了这些量就可以求得高斯像yk ，见上图。第二十四页，讲稿共四十一页哦二二.远轴光路计算远轴光路计算 子午平面内远轴光路计算的公式 当光学系统的结构已知时，入瞳的位置大小就知道了，对轴上物点的远轴光线很快就可以计算出来，把L1,U1 代入以上公式计算就可以。对于轴外物点发出的远轴光线的计算与轴上的远轴光线的计算所用的公式完全一样，所不同的是起始数据L,U 要根据轴外不同物点发出的远轴光线射到入瞳平面上位置的不同进行换算。第二十五页，讲稿共四十一页哦任意一条远轴光线计算任意一条远

12、轴光线计算 已知入瞳位置Lz1，入瞳半径M，物体位置L1和发出任意一条 x 光线的轴外物点B1的高度y1 由图中关系 得：这条光线可看成是轴上X1点发出的光线。式中x为x光线在入瞳上的投射高。第二十六页，讲稿共四十一页哦 由以上公式可以求出任意一条轴外入射光线的起始值Ux1、Lx1,这样就可以逐面进行远轴光线计算。计算出来的结果为像方共扼出射光线的 Uxk、Lxk,再根据第一近轴光线的计算结果就可以得到这条x光线在高斯面上的投射高Yxk。Xk点可以看做物点X1被整个系统所成的像。如此相当于知道了理想像的位置和大小，也计算出如此相当于知道了理想像的位置和大小，也计算出了实际像的位置和大小，将两者

13、比较就可以衡量像了实际像的位置和大小，将两者比较就可以衡量像差了。差了。第二十七页，讲稿共四十一页哦第二十八页，讲稿共四十一页哦第二十九页，讲稿共四十一页哦三三.光路计算中几种特殊情况的处理光路计算中几种特殊情况的处理 1.物在无限远处。物在无限远处。对于轴上物点这时对于轴上物点这时 公式公式 不能直接应用，需要进行变换不能直接应用，需要进行变换对于近轴光路计算对于近轴光路计算 第三十页，讲稿共四十一页哦 2.出现平面分界面时，在光路计算中出现平面分界面时出现平面分界面时，在光路计算中出现平面分界面时 也不能直接应用。由图中关系也不能直接应用。由图中关系得：得：对于近轴光线计算时有：对于近轴光

14、线计算时有：以上是光线经过平面时的光路计算公式。以上是光线经过平面时的光路计算公式。第三十一页，讲稿共四十一页哦第二节第二节 轴外物点近主光线细光束经球面折射的计算轴外物点近主光线细光束经球面折射的计算 轴上物轴上物点发出的近轴细光束锥通过球面折射后是同心的细光束，成像是完善的。完善的。第三十二页，讲稿共四十一页哦第三十三页，讲稿共四十一页哦子午像点和弧矢像点子午像点和弧矢像点 BM为通过入瞳中心的轴外物点 B 发出的主光线，BM1M2是以主光线为光束对称轴的近主光线的无限细的光束，它在子午面内称为子午细光束子午细光束。子午细光束BM1M2经球面折射后汇聚与Bt点，这是在子午面上的平面同心细光

15、束的汇聚点，Bt 称为子午像点子午像点。第三十四页，讲稿共四十一页哦 过主光线BM作垂直于子午面的弧矢平面弧矢平面。Bs是轴上物点B发出的BMsMs“弧矢面上近主光线无限细平面同心光束在像方的汇聚点，Bs称为弧矢像点弧矢像点。子午像和弧矢像在的距离BtBs 称为像散差像散差。第三十五页，讲稿共四十一页哦第三十六页，讲稿共四十一页哦 子午物、像距和弧矢物、像距都是在主光线上度量的子午物、像距和弧矢物、像距都是在主光线上度量的。以。以M M点为原点决定它们的符号的。点为原点决定它们的符号的。第三十七页，讲稿共四十一页哦杨氏公式：杨氏公式：利用杨氏公式计算子午和弧矢像点时，必须要计利用杨氏公式计算子午和弧矢像点时，必须要计算主光线。子午像点和弧矢像点都在主光线上，所以算主光线。子午像点和弧矢像点都在主光线上，所以从前一面向后一面过渡时必须沿主光线过渡。从前一面向后一面过渡时必须沿主光线过渡。第三十八页，讲稿共四十一页哦图图7-9 7-9 杨氏过渡公式杨氏过渡公式第三十九页，讲稿共四十一页哦第四十页，讲稿共四十一页哦作业第四十一页，讲稿共四十一页哦