光学仪器基本原理

关于光学仪器基本原理（1）保证近轴条件，改善成像质量（像的清晰度），控制景深．（2）控制成像物空间的范围．（3）控制像面的亮度．（1）孔径光阑：诸挡光孔中,最有效的控制成像光束光能量者，称为孔径光阑．简称孔阑．1)光阑的作用：2)光阑的种类：第2页,共35页，2024年2月25日，星期天ABA’B’孔径光阑底片第3页,共35页，2024年2月25日，星期天瞳孔（2）视场光阑：诸挡光孔中,最有效的控制成像物空间范围者，称为视场光阑.简称场阑．人眼瞳孔：孔径光阑，窗窗：视场光阑．物点第4页,共35页，2024年2月25日，星期天ABA’B’孔径光阑视场光阑底片第5页,共35页，2024年2月25日，星期天2光瞳（pupil）

孔径光阑在物空间中的等效孔径孔径光阑在像空间中的等效孔径入射光瞳(入瞳)：限制入射光束的有效孔径,

是孔径光阑对前方光学系统所成的像出射光瞳(出瞳)：限制出射光束的有效孔径,

孔径光阑对后方光学系统所成的像第6页,共35页，2024年2月25日，星期天

孔径光阑与光轴上物点位置有关，欲确定孔阑，必须首先明确是对光轴上哪个物点．

将系统所有的通光孔成像于光学系统的物空间，其中对轴上物点张角最小者，称为入瞳，入瞳对应的物叫做孔阑．

孔阑对后光学系统的像，为出射光瞳，简称出瞳．

怎样确定孔阑？第7页,共35页，2024年2月25日，星期天在这个系统中，孔径光阑同时也是出瞳孔径光阑入瞳--孔径光阑对前方系统成的像入射孔径角出射孔径角uu’第8页,共35页，2024年2月25日，星期天在这个系统中，孔径光阑同时也是入瞳孔径光阑出瞳--孔径光阑对后方系统成的像uu’入射孔径角出射孔径角第9页,共35页，2024年2月25日，星期天uu’孔径光阑出瞳入瞳？？第10页,共35页，2024年2月25日，星期天某种相机镜头的孔径光阑、光瞳第11页,共35页，2024年2月25日，星期天透镜的像差(LensAberrations)1像差的基本概念如果成像系统：

1）不能将一个物点唯一地变换成一个像点；像差单色像差(monochromaticaberration)色差(chromaticaberration)或者2）物像平面上各点的线放大率不同第12页,共35页，2024年2月25日，星期天-uu’PP’近轴条件下：

单色像差的来源球面系统在近轴条件下可以理想成像物像一一对应第13页,共35页，2024年2月25日，星期天非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略-uu’PP’出现三级以上像差球面系统不能理想成像第14页,共35页，2024年2月25日，星期天三级像差(或初级像差)----5种：1)球差(sphericalaberration)2)慧差(coma)3)像散(astigmatism)和场曲(curvatureoffield)4)畸变(distortion)第15页,共35页，2024年2月25日，星期天2球差(Sphericalaberration)轴上物点发出的大孔径光线不聚焦于一点PP第16页,共35页，2024年2月25日，星期天近轴光线非近轴光线非近轴光线非近轴光线非近轴光线近轴光线F’S’f’s’球差的定量：dL=f’-s’

F’S’s’f’s’dL>0---正球差dL<0---负球差第17页,共35页，2024年2月25日，星期天图示：不同大小球差的照片球差的校正：

变折射率透镜中间折射率大

加光阑；

复合透镜，如正负透镜组合、球面曲率及折射率的配合等；非球面透镜；第18页,共35页，2024年2月25日，星期天3慧差(Coma)

慧差的产生靠近光轴的物点发出的大孔径光线不聚焦于一点PXY慧尾形的弥散像第19页,共35页，2024年2月25日，星期天dH>0---正慧差dH<0---负慧差慧差的定量：第20页,共35页，2024年2月25日，星期天

不同大小慧差的照片慧差的校正：

复合透镜；

加光阑；

非球面透镜；第21页,共35页，2024年2月25日，星期天4像散(Astigmatism)和场曲（Curvatureoffield）最小弥散圆主光线子午焦线弧矢焦线轴外物点发出的同心光束，水平方向和竖直方向的光线的聚焦点在不同平面上

像散的产生像散现象第22页,共35页，2024年2月25日，星期天lslt最小弥散圆主光线子午焦线弧矢焦线子午面：主光线和光轴的平面弧矢面：包含光轴并垂直于子午面的平面慧差的定量：dL>0--正像散差dL<0--负像散差第23页,共35页，2024年2月25日，星期天

场曲的产生物平面对应的子午面、弧矢面、最小弥散圆平面为曲面场曲与像散结伴而生场曲第24页,共35页，2024年2月25日，星期天像散和场曲的校正：

复合透镜

加光阑非球面透镜；第25页,共35页，2024年2月25日，星期天

物平面 枕形畸变 桶形畸变5畸变(Distortion)第26页,共35页，2024年2月25日，星期天类似于正球差，入射角度大的出射光线比理想成像光线向光轴偏折得更厉害离光轴远的物点放大率变小光阑在透镜前面桶形畸变光阑在透镜后面，情况相反枕形畸变第27页,共35页，2024年2月25日，星期天

光阑消除畸变第28页,共35页，2024年2月25日，星期天6色差(Chromaticaberration)

色差的产生P

色差的消除P’Pn1n2第29页,共35页，2024年2月25日，星期天助视仪器的分辨本领(ResolvingPower)

任何成像光学系统中如透镜都有有限的孔径，这些光阑对成像光波的限制而产生的衍射效应，使得对应于物点的像点不再是几何光学意义上的一个点，而是一个衍射斑，从而使像模糊。

因此任何成像光学系统中，在几何光学像差因素以外，还要考虑由于衍射效应而引起的对成像分辨本领的限制。衍射像导致的成像分辨率的下降第30页,共35页，2024年2月25日，星期天1望远镜的分辨本领

远处的物体，如遥远的星体，在望远镜的后焦面上成像。由于孔径光阑的限制，在后焦面上，像点成为Airy斑；

当两个物点靠近时，形成的两个Airy斑交叠，可能分辨不开；两物点间距变小光学仪器分辨率第31页,共35页，2024年2月25日，星期天不同物点间距的衍射像强度分辨率第32页,共35页，2024年2月25日，星期天Rayleigh判据：当两个像靠近到使得一个Airy斑的主极大和第二个Airy斑的极小重合时，刚刚能分辨。进一步靠近，两个像不能分辩。第33页,共35