工程光学第10章优秀课件.ppt

工程光学第10章第1页，本讲稿共20页第一节 摄影光学系统照相物镜的作用是把外界景物成像在感光底片上，使底片曝照相物镜的作用是把外界景物成像在感光底片上，使底片曝光产生景物像。光产生景物像。照相物镜的光学参数有：照相物镜的光学参数有：1 1、焦距、焦距ff 2 2、相对孔径、相对孔径D/fD/f 3 3、视场角、视场角2 2 4 4、分辨率、分辨率N N第2页，本讲稿共20页一、焦距一、焦距f 在物距在物距l l一定的情况下，欲得到大比例尺的照片，必须增大一定的情况下，欲得到大比例尺的照片，必须增大物镜的焦距。物镜的焦距。例如：用于拍摄数千米甚至上万米的远距离照相机，为了获得足够大的比例尺，必须采用长焦距照相物镜，其焦距一般为上百mm，甚至可达数米二、相对孔径二、相对孔径 照相物镜像平面光照度和相对孔径的平方成正比，所以照相物镜像平面光照度和相对孔径的平方成正比，所以照相物镜的相对孔径主要影响像平面的光照度。照相物镜的相对孔径主要影响像平面的光照度。为了满足较暗景物的摄影，或对高速运动的物体摄影，都需要采用大相对孔径的物镜，以提高像平面上的光照度。第3页，本讲稿共20页三、视场角三、视场角2 2 照相物照相物镜镜的的视场视场角决定了被角决定了被摄摄景物的范景物的范围围。不同照相机画面的尺寸是一定的，例如：16mm的电影摄影机：10.4*7.5mm 35mm的电影摄影机：22*16mm 135#照相机 ：36*24mm 120#照相机 ：55*55mm 由无限远焦距公式：由无限远焦距公式：照相机的幅面一定时照相机的幅面一定时ff越小，则越小，则越大，因此短焦距越大，因此短焦距镜头镜头，也，也就是大就是大视场镜头视场镜头。根据视场角的大小，照相物镜可分为：窄角镜头（2在40以下）、常角镜头（2在45-60）、广角镜头（2=70-100）、超广角镜头（2在100以上）第4页，本讲稿共20页四、分辨率四、分辨率 照相物镜分辨率表示照相物镜分辨被摄物体细节的能力是衡量照相照相物镜分辨率表示照相物镜分辨被摄物体细节的能力是衡量照相物镜成像质量的重要指标之一，通常用像平面上每物镜成像质量的重要指标之一，通常用像平面上每mmmm能分辨开的黑白能分辨开的黑白线条对数来表示，照相物镜的理想分辨率线条对数来表示，照相物镜的理想分辨率N N物物经推导得：经推导得：照相分辨率用照相分辨率用N总总来表示，他由照相物镜本身的分辨率来表示，他由照相物镜本身的分辨率N物物和底片的分辨率和底片的分辨率N底底决定，三者之间的关系：决定，三者之间的关系：第5页，本讲稿共20页例：照相物镜的作用是什么？表征照相物镜光学特性的是例：照相物镜的作用是什么？表征照相物镜光学特性的是哪些参量？哪些参量？答：照相物镜的作用是把外界景物成像在感光底片上，使底片曝光答：照相物镜的作用是把外界景物成像在感光底片上，使底片曝光产生景物像。产生景物像。照相物镜的光学参数有：照相物镜的光学参数有：1 1、焦距、焦距f 2f 2、相对孔径、相对孔径D/f D/f 3 3、视场角、视场角2 2 4 4、分辨率、分辨率N N第6页，本讲稿共20页第二节、投影光学系统投影仪是将一定大小的物体用光源照明后，成像在屏幕上进行投影仪是将一定大小的物体用光源照明后，成像在屏幕上进行观察或测量的一种光学仪器，除了要求物象相似，成像清晰，观察或测量的一种光学仪器，除了要求物象相似，成像清晰，还要求有一定的光照度，并且整个像面得光照度尽可能一致还要求有一定的光照度，并且整个像面得光照度尽可能一致.投影系统投影系统 投影物镜投影物镜 照明系统照明系统 投影物镜的作用是把投影物体成像在屏幕上，并保证成投影物镜的作用是把投影物体成像在屏幕上，并保证成像清晰，物像相似，投影物镜的光学参数为：视场、相对孔像清晰，物像相似，投影物镜的光学参数为：视场、相对孔径、放大率和工作距离表示径、放大率和工作距离表示 照明系统的作用是把光源的光通量尽可能多的聚焦到投影照明系统的作用是把光源的光通量尽可能多的聚焦到投影物镜中去，并使被投影物体照明均匀物镜中去，并使被投影物体照明均匀第7页，本讲稿共20页一、投影物镜一、投影物镜 视场视场 投影系统中成像的范围不用视场角表示，而直接用投影物体的投影系统中成像的范围不用视场角表示，而直接用投影物体的最大尺寸最大尺寸线视场来表示。线视场来表示。屏幕框实际上就是投影系统的视场光阑，它的大小决屏幕框实际上就是投影系统的视场光阑，它的大小决定了投影物镜的线视场。定了投影物镜的线视场。根据放大率公式：根据放大率公式：将已知屏幕尺寸带入将已知屏幕尺寸带入y，便可根据放大率，便可根据放大率求出投影物镜求出投影物镜的最大线视场。的最大线视场。第8页，本讲稿共20页相对孔径相对孔径 投影物镜的像平面光照度经过推导可由下式表达：投影物镜的像平面光照度经过推导可由下式表达：D/f称为投影物镜的相对孔径，光照度与相对孔径的称为投影物镜的相对孔径，光照度与相对孔径的平方成正比，相对孔径是投影物镜的一个重要光学性能。平方成正比，相对孔径是投影物镜的一个重要光学性能。照度与放大率的平方成反比，当放大率增大时，为保证屏照度与放大率的平方成反比，当放大率增大时，为保证屏幕上有一定的光照度，必须加大相对孔径。幕上有一定的光照度，必须加大相对孔径。第9页，本讲稿共20页放大率放大率 上述讨论已知，放大率和投影物镜的最大线视场以及相对孔径有上述讨论已知，放大率和投影物镜的最大线视场以及相对孔径有关。除此之外还和测量精度、投影仪的结构尺寸有关。由放大率的关。除此之外还和测量精度、投影仪的结构尺寸有关。由放大率的公式，公式，当投影物体尺寸一定时，放大率越高，在屏幕上的像就越大，当投影物体尺寸一定时，放大率越高，在屏幕上的像就越大，测量精度则越高。投影物镜的物距：测量精度则越高。投影物镜的物距：当物镜的焦距一定时，放大率增加，像距当物镜的焦距一定时，放大率增加，像距l加大，物像之间加大，物像之间的共轭距加大，整个投影仪的结构尺寸加大。的共轭距加大，整个投影仪的结构尺寸加大。第10页，本讲稿共20页工作距离工作距离 投影仪的屏幕距离是确定的，我们把与屏幕共轴的物平面到投投影仪的屏幕距离是确定的，我们把与屏幕共轴的物平面到投影物镜第一面的距离叫做工作距离。工作距离得大小将直接影响投影物镜第一面的距离叫做工作距离。工作距离得大小将直接影响投影仪的使用范围，如果工作距离太小，则投影仪的使用范围必将受影仪的使用范围，如果工作距离太小，则投影仪的使用范围必将受到限制。到限制。第11页，本讲稿共20页二、照明系统二、照明系统作用：作用：）提高光源利用率，使光源发出的光尽可能多提高光源利用率，使光源发出的光尽可能多 的进入投影物镜的进入投影物镜 ）充分发挥投影物镜的作用，使照明光束能充充分发挥投影物镜的作用，使照明光束能充 满物镜口径满物镜口径 ）投影物平面照明均匀，即物平面上个点照明）投影物平面照明均匀，即物平面上个点照明 光束的口径一致。光束的口径一致。分类：分类：临界照明临界照明 柯拉照明柯拉照明第12页，本讲稿共20页临界照明临界照明 照明系统中的光学镜头称为聚光镜，为了照明物面，最照明系统中的光学镜头称为聚光镜，为了照明物面，最简单的方式就是将光源通过聚光镜成像在物平面上，这种简单的方式就是将光源通过聚光镜成像在物平面上，这种照明方式称为临界照明。适用于小面积投影照明方式称为临界照明。适用于小面积投影缺点：光源像的亮度不均匀将直接反应到物面上，造成像面照缺点：光源像的亮度不均匀将直接反应到物面上，造成像面照度不均匀度不均匀第13页，本讲稿共20页柯拉照明柯拉照明 照明系统将光源成像在投影物镜的入瞳上，投影物体位照明系统将光源成像在投影物镜的入瞳上，投影物体位于聚光镜附近，能够使像面照度均匀化，适用于大面积投于聚光镜附近，能够使像面照度均匀化，适用于大面积投影。一般在灯泡后面放一个球面反射镜，以增加光能的利影。一般在灯泡后面放一个球面反射镜，以增加光能的利用率。用率。第14页，本讲稿共20页例1：用一个250W的溴钨灯作为16mm电影放映机的光源，光源的光视效能为30 lm/W，灯丝外形面积为5*7mm，可以近似看做一个两面发光的发光面，采用第一种照明方式。灯泡的后面加有球面反射镜，使灯丝的平均光亮度提高50%，银幕宽度为4m，放映物镜的相对孔径为1：1.8，系统的透过率为0.6，求银幕的光照度。（16mm放映机的片门尺寸为10*7mm）。解：采用了反光镜，所以光亮度提高50%2第15页，本讲稿共20页例2：投影仪的光源使用40W的灯泡，灯泡的光视效能为20 lm/W，各方向均匀发光，照明范围对应的有效孔径角为20，被照明物体表面为30mm圆面积，采用柯拉照明方式。求：被照明物体表面的光照度（）像平面的光照度（）第16页，本讲稿共20页解：物体被照明表面的面积聚光镜接收到得光通量：通过聚光镜后的光通量：第17页，本讲稿共20页求投影仪像平面上的光照度经过物镜的光通量：被照像平面的半径为像平面的光照度为第18页，本讲稿共20页题型及分值分配：1、填空（10分)2、作图（15分）3、简答（30分）4、计算（45分）复习范围：1、高斯公式牛顿公式（要求会利用符号规则画出光路，在光路上标出各量进行计算）2、作图法求像（要求理解并掌握课上练习及作业本上的作业）3、平面镜棱镜系统的作用，屋脊棱镜的定义及方法，掌握棱镜展开的方法并掌握典型棱镜展开的结构参数，掌握棱镜出射方向的判断方法。4、掌握视场光阑孔径光阑的定义，出瞳入瞳的概念，以及在望远系统和显微系统中光阑的设置情况，渐晕的概念及表示方法。5、掌握物方远心光路和像方远心光路的定义6、掌握光视效能的定义。能够根据给出条件求光强度、光亮度、光照度等。理解主观光亮度的概念。（主要掌握书上126页作业题第2、3题，以及课件上的习题，ppt上34页例4以及56页、58页、62页、68页例题不用掌握）第19页，本讲稿共20页7、像差的概念，轴上点像差有哪些，轴外点像差有哪些，什么叫球差，哪些像差不影响成像的清晰度。8、典型光学系统：眼睛视度的定义和求法，理想光学系统的衍射分辨率的值；显微镜望远镜的工作原理、视觉放大率、衍射分辨率、有效视觉放大率、孔径和视场的表示方法（以ppt例题为主，理解记忆）9、投影和摄影光学系统：照相物镜的作用及光学参量，摄影物镜的作用和光学参量。重点掌握摄影系统中照明系统的分类以及摄影系统中光能的计算方法（重点理解PPT例题）10、现代光学系统：掌握激光的特点，并能就激光的某一特点举例说明；掌握红外光学系统的特点。第20页，本讲稿共20页