光学成像原理课件.ppt

1、光学成像原理光学成像原理朱朱 磊磊一、几何光学基本定律与成像概念一、几何光学基本定律与成像概念二、理想光学系统二、理想光学系统三、平面与平面系统三、平面与平面系统四、光学系统中的光束限制四、光学系统中的光束限制五、像差五、像差几何光学基本定律与成像概念光就其本质而言是一种电磁波，只是光光就其本质而言是一种电磁波，只是光波波长比普通无线电波的波长要短。波波长比普通无线电波的波长要短。可见光随波长的不同而引起人眼不同的可见光随波长的不同而引起人眼不同的颜色感觉。（颜色感觉。（单色光单色光与与复色光复色光)通常，我们把能够辐射光能量的物体称通常，我们把能够辐射光能量的物体称为发光体或光源。（为发光体

2、或光源。（光线光线、波面波面、光束光束）波面可分为平面波、球面波和任意曲面波面可分为平面波、球面波和任意曲面波。（波。（平行光束平行光束、同心光束同心光束）几何光学基本定律与成像概念光的直线传播定律。例光的直线传播定律。例:缺点：有局限性，会发生缺点：有局限性，会发生“衍射衍射”光的独立传播定律。光的独立传播定律。缺点：没有考虑光的波动性，缺点：没有考虑光的波动性，“干涉干涉”光的折射定律与反射定律。光的折射定律与反射定律。光的全反射现象。光的全反射现象。条件：条件：光线从光密介质向光疏介质入射；光线从光密介质向光疏介质入射；入射角大于临界角入射角大于临界角：“小孔成像小孔成像”几何光学基本定

3、律与成像概念光学系统的主要作用之一是对物体成像。光学系统的主要作用之一是对物体成像。(完善像点，完善像完善像点，完善像)光学系统通常是由若干个光学元件（由表面为球面、平面或非球光学系统通常是由若干个光学元件（由表面为球面、平面或非球面，期间具有一定折射率的介质构成的）组成。面，期间具有一定折射率的介质构成的）组成。：入射波面为球面波时，入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。出射波面也为球面波。实像点实像点、虚像点虚像点实像可记录，虚像不能。实像可记录，虚像不能。几何光学基本定律与成像概念垂轴放大率垂轴放大率 ynlyn l由由可知：可知：0,y与与y同号，成正像；反之，成倒像。同号，成正像；

4、反之，成倒像。0,l与与l同号，物象虚实相反；反之，同号，物象虚实相反；反之，物象虚实相同物象虚实相同。1,yy，成放大像；反之，成缩小像。，成放大像；反之，成缩小像。几何光学基本定律与成像概念轴向放大率轴向放大率表示光轴上一对共轭点沿轴向的移动量之间的关系，它定义为物体沿光轴表示光轴上一对共轭点沿轴向的移动量之间的关系，它定义为物体沿光轴作微小移动作微小移动dl时，所引起的像点移动量时，所引起的像点移动量dl与物点移动量与物点移动量dl之比，用之比，用 表表示轴向放大率：示轴向放大率：dldl，它与垂轴放大率的关系为：，它与垂轴放大率的关系为：2nn由此得出结论：由此得出结论：折射球面的轴向

5、放大率恒为正。因此，当物体沿轴向移动时，其像点沿折射球面的轴向放大率恒为正。因此，当物体沿轴向移动时，其像点沿光轴同向移动；光轴同向移动；轴向放大率与垂轴放大率不等。因此，空间物体成像时要变形。轴向放大率与垂轴放大率不等。因此，空间物体成像时要变形。几何光学基本定律与成像概念角放大率角放大率定义为一对共轭光线与光轴的夹角定义为一对共轭光线与光轴的夹角u与与u之比，即之比，即利用利用lu=lu，得：，得：我们得到三者之间的关系：我们得到三者之间的关系：最后得：最后得：nuy=nuy=J这表明，实际光学系统在近轴区成像时，在物象共轭面内，物体大小这表明，实际光学系统在近轴区成像时，在物象共轭面内，

6、物体大小y、成像、成像光束的孔径角光束的孔径角u和物体所在介质折射率和物体所在介质折射率n的乘积为一常数的乘积为一常数J，称为拉赫不变量。，称为拉赫不变量。它是表征光学系统性能的一个重要参数。它是表征光学系统性能的一个重要参数。uu1lnln2nnnn理想光学系统由于实际使用的共轴光学系统，由于系统的对称性，共轴由于实际使用的共轴光学系统，由于系统的对称性，共轴理想光学系统所成的像还有如下的性质：理想光学系统所成的像还有如下的性质：位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位于光轴上；位于光轴上的物点对应的共轭像点也必然位于光轴上；位于过光轴的某一个截面内的物点对应的共轭图像必位于位于过光轴的某一个

7、截面内的物点对应的共轭图像必位于该平面的共轭相面内；同时，过光轴的任意截面成像性质该平面的共轭相面内；同时，过光轴的任意截面成像性质都是相同的。都是相同的。垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像的几何形状完全垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像的几何形状完全与物相似。与物相似。如果已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面如果已知两对共轭面的位置和放大率，或者一对共轭面的位置和放大率，以及轴上的两对共轭面的位置，则其他的位置和放大率，以及轴上的两对共轭面的位置，则其他一切物点的像点都可以根据这些已知的共轭面和共轭点来一切物点的像点都可以根据这些已知的共轭面和共轭点来表示。表示。理想光学系统在光学系

8、统的应用中，时常将两个或两个以上的光学系统组合在光学系统的应用中，时常将两个或两个以上的光学系统组合在一起使用。在一起使用。典型光组组合，例如：远摄型光组、反远距型光组、望远系统、典型光组组合，例如：远摄型光组、反远距型光组、望远系统、显微镜系统等。显微镜系统等。透镜：是构成光学系统的最基本单元，由两个折射面包围一种透镜：是构成光学系统的最基本单元，由两个折射面包围一种透明介质所形成的光学零件。按其对光线的作用可分为两类：透明介质所形成的光学零件。按其对光线的作用可分为两类：汇聚透镜（正透镜）和发散透镜（负透镜）。汇聚透镜（正透镜）和发散透镜（负透镜）。平面与平面系统平面反射镜：简称平面镜，它

9、是唯一能成完善像的最简单的光平面反射镜：简称平面镜，它是唯一能成完善像的最简单的光学元件，即物体上任意一点发出的同心光束经过平面镜后仍为学元件，即物体上任意一点发出的同心光束经过平面镜后仍为同心光束。对平面镜而言，实物成虚像，虚像成实像。同心光束。对平面镜而言，实物成虚像，虚像成实像。平行平板：由两个相互平行的折射平面构成的光学元件，如划平行平板：由两个相互平行的折射平面构成的光学元件，如划分版、测微平板、保护玻璃等。平行板不能成完善像。分版、测微平板、保护玻璃等。平行板不能成完善像。反射棱镜：反射棱镜：简单棱镜简单棱镜一次反射棱镜，例：道威（一次反射棱镜，例：道威（Dove）棱镜等。）棱镜等

10、。二次反射棱镜二次反射棱镜,例：半五角棱镜，斜方棱镜等。例：半五角棱镜，斜方棱镜等。三次反射棱镜。三次反射棱镜。(斯密特棱镜斯密特棱镜)平面与平面系统屋脊棱镜：两个相互垂直的反向面叫屋脊面，带有屋屋脊棱镜：两个相互垂直的反向面叫屋脊面，带有屋脊面的棱镜叫脊面的棱镜叫。立方角锥棱镜：由立方体切下一角形成的。特性：光立方角锥棱镜：由立方体切下一角形成的。特性：光线以任意方向从底面入射，经过三个直角面依次反射后，线以任意方向从底面入射，经过三个直角面依次反射后，出射光线始终平行于入射光线。出射光线始终平行于入射光线。棱镜的组合棱镜的组合复合棱镜复合棱镜复合棱镜复合棱镜分光棱镜分光棱镜分色棱镜分色棱镜

11、转像棱镜转像棱镜双像棱镜双像棱镜平面与平面系统光线的光路对称于折射棱镜时，折射棱镜的偏向角取得光线的光路对称于折射棱镜时，折射棱镜的偏向角取得最小值。这证明了折射棱镜的偏向角随入射角变化的过最小值。这证明了折射棱镜的偏向角随入射角变化的过程中存在一个最小偏向角。光学上常用测量折射棱镜最程中存在一个最小偏向角。光学上常用测量折射棱镜最小偏向角的方法来测玻璃折射率。小偏向角的方法来测玻璃折射率。折射棱镜的工作原理光楔：折射率很小的棱镜。光楔：折射率很小的棱镜。当光线垂直入射或接近垂直入射当光线垂直入射或接近垂直入射时，所产生的偏向角仅由光楔的时，所产生的偏向角仅由光楔的楔角和折射率决定。楔角和折射

12、率决定。因此光楔在小角度和微位移测量因此光楔在小角度和微位移测量中有着重要的应用。中有着重要的应用。光学系统中的光束限制光阑光阑:通常，光学系统中用一些中心开孔的薄金属片来合理地通常，光学系统中用一些中心开孔的薄金属片来合理地限制成像光束的宽度、位置和成像范围。这些限制成像光束限制成像光束的宽度、位置和成像范围。这些限制成像光束和成像范围的薄金属片就称为光阑。主要有两类：孔径光阑和成像范围的薄金属片就称为光阑。主要有两类：孔径光阑和视场光阑。和视场光阑。孔径光阑：限制轴上物点孔径角的大小，或者说限制轴上孔径光阑：限制轴上物点孔径角的大小，或者说限制轴上物点成像光束宽度、并有选择轴外物点成像光束

13、位置作用的物点成像光束宽度、并有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑。（光阑。（入射光瞳入射光瞳和和出射光瞳出射光瞳）视场光阑：通常在物面或像面上安放一个中间开孔的光阑，视场光阑：通常在物面或像面上安放一个中间开孔的光阑，光阑孔的大小限定了物面或像面的大小，即限定了光学系统光阑孔的大小限定了物面或像面的大小，即限定了光学系统的成像范围。这个限定成像范围的光阑称为视场光阑。的成像范围。这个限定成像范围的光阑称为视场光阑。光学系统中的光束限制照相系统中的光阑：照相系统中的光阑：普通照相系统是由三个主要部分组成的，即照相镜头、可变光普通照相系统是由三个主要部分组成的，即照相镜头、可变光阑和感光底片。阑

14、和感光底片。分析光阑与成像后，可总结如下几点：分析光阑与成像后，可总结如下几点：在照相光学系统中，根据轴外光束的像质来选择孔径光在照相光学系统中，根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置，其大致位置在照相物镜的某个空气间隔中。阑的位置，其大致位置在照相物镜的某个空气间隔中。在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅仅由孔径光阑在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅仅由孔径光阑的口径确定，而且还和渐晕光阑的口径有关。（的口径确定，而且还和渐晕光阑的口径有关。（渐晕渐晕）照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。光学系统中的光束限制望远镜系统中成像光束的选择：望

15、远镜系统中成像光束的选择：望远物镜和目镜是望远系统的基本组成部分。望远物镜和目镜是望远系统的基本组成部分。两个光学系统联用时，一般应满足两个光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则（即光瞳衔接原则（即前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合）前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合）。目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm。（避免眼睫毛不致和目镜最后一个表面相碰）。（避免眼睫毛不致和目镜最后一个表面相碰）望远系统的孔径光阑大致在物镜左右，具体位置可根望远系统的孔径光阑大致在物镜左右，具体位置可根据尽量减小光学零件的尺寸和体积的考虑去设定。据尽量减小光学

16、零件的尺寸和体积的考虑去设定。可放划分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的可放划分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。视场光阑。光学系统中的光束限制一般的显微镜由物镜和目镜所组成，系统中成像光束的口一般的显微镜由物镜和目镜所组成，系统中成像光束的口径往往由物镜框限制，物镜框是孔径光阑。位于目镜物方径往往由物镜框限制，物镜框是孔径光阑。位于目镜物方焦面上的圆孔光阑或分划板框限制了系统的成像范围，成焦面上的圆孔光阑或分划板框限制了系统的成像范围，成为系统的视场光阑。为系统的视场光阑。总结：总结：一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微物镜上。一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微物镜上。显微镜

17、系统用于测长等目的时，为了消除测量误差，孔显微镜系统用于测长等目的时，为了消除测量误差，孔径光阑安放在显微物镜的像方焦面处，称为径光阑安放在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远心光物方远心光路路”（入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行于光轴）（入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行于光轴）在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径。接，以减小光学零件的口径。光学系统中的光束限制光学系统的景深：光学系统的景深：当入射光瞳直径为定值时，便可确定成像空间的深度，在此当入射光瞳直径为定值时，便可确定成像空间的深度，在此深度范围内的物体对

18、一定的接收器可得清晰图像。在景象平深度范围内的物体对一定的接收器可得清晰图像。在景象平面上所获得的成清晰像的最近的平面称为成像空间的景深，面上所获得的成清晰像的最近的平面称为成像空间的景深，简称景深。简称景深。景深是景深是远景深度远景深度和和近景深度近景深度之和。之和。入射光瞳的直径越小，即孔径角越小，景深越大。入射光瞳的直径越小，即孔径角越小，景深越大。例如：在拍照片时，把光圈缩小可以获得最大的空间深度的例如：在拍照片时，把光圈缩小可以获得最大的空间深度的清晰像，其原因就在于此。清晰像，其原因就在于此。像差“理想成像位置理想成像位置”系由单色、近轴成像规律决定。系由单色、近轴成像规律决定。研

19、究像差的性质，估算像差的大小并设法校正和减小像差，研究像差的性质，估算像差的大小并设法校正和减小像差，就成为光学系统设计中一个极为重要的问题。就成为光学系统设计中一个极为重要的问题。像差像差单色像差单色像差球差球差彗差彗差像散像散场曲场曲畸变畸变色差色差:不同波长成像的位置及大小都有所不同。不同波长成像的位置及大小都有所不同。纵向色差纵向色差横向色差横向色差像差n球差球差:轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度（孔径角）不同入射高度（孔径角）的光线将交光轴于不同位置，相对于理的光线将交光轴于不同位置，相对于理想像点有不同

20、程度的偏离，这就是球差。正透镜想像点有不同程度的偏离，这就是球差。正透镜产生负球差；产生负球差；负透镜负透镜产生正球差；将正负透镜组合，则有可能消除球差。产生正球差；将正负透镜组合，则有可能消除球差。n 彗差彗差:轴外一点发出的宽光束通过一个消球差透镜的不同环带后轴外一点发出的宽光束通过一个消球差透镜的不同环带后仍不会聚于一点，在像面上呈现彗星形状的光斑，这就是仍不会聚于一点，在像面上呈现彗星形状的光斑，这就是“彗彗差差”。分为子午彗差和弧矢彗差经；透镜边缘的光线所成的点像。分为子午彗差和弧矢彗差经；透镜边缘的光线所成的点像大于大于通过中间通过中间光线所成的像，只有主光线形成理想像点。光线所成

21、的像，只有主光线形成理想像点。像差若系统不存在彗差，则这三条光线的像方光线应该相交于一点，若系统不存在彗差，则这三条光线的像方光线应该相交于一点，但是如果存在彗差，则可能会不再相交共点，而是失去了对称性。但是如果存在彗差，则可能会不再相交共点，而是失去了对称性。称上、下光线交点到主光线的垂轴距离叫子午彗差。称上、下光线交点到主光线的垂轴距离叫子午彗差。像差n像散像散:主光线和光轴构成的平面称为子午面，包含主光线并主光线和光轴构成的平面称为子午面，包含主光线并与子午面垂直的平面，则叫做弧矢面。与子午面垂直的平面，则叫做弧矢面。当轴外点以细光束成像时，没有彗差当轴外点以细光束成像时，没有彗差，由于

22、子午面和弧矢面相由于子午面和弧矢面相对折射球面的位置不同，它们在球面上的截线曲率不等，对折射球面的位置不同，它们在球面上的截线曲率不等，子午像子午像点和弧矢像点不重合，两者分开的轴点和弧矢像点不重合，两者分开的轴向距向距离称为像散。离称为像散。由于像散的存在，观察到的物点的像沿着光轴方向会有由于像散的存在，观察到的物点的像沿着光轴方向会有不同的形状。不同的形状。像差n场曲场曲:像散必然引起像面弯曲。像散的大小随视场而变，像散必然引起像面弯曲。像散的大小随视场而变，即物面上离光轴不同距离的各点在成像时，像散值各不相同，即物面上离光轴不同距离的各点在成像时，像散值各不相同，一个平面物必然形成两个曲

23、面像，即子午像面和弧矢像面一个平面物必然形成两个曲面像，即子午像面和弧矢像面。像差n畸变畸变:它主要是指主光线的像差。理想成像时，其垂轴放大它主要是指主光线的像差。理想成像时，其垂轴放大率为常数。视场较大时，放大率随视场而变，不再是常数，使率为常数。视场较大时，放大率随视场而变，不再是常数，使像相对于物失去相似性，这种成像缺陷称为畸变。像相对于物失去相似性，这种成像缺陷称为畸变。枕形畸变枕形畸变正畸变，实际像高理想像高；正畸变，实际像高理想像高；桶形畸变桶形畸变负畸变，实际像高理想像高；负畸变，实际像高理想像高；n色差色差:透镜对不同波长的光具有不同的折射率，导致入射透镜对不同波长的光具有不同的折射率，导致入射复色平行光束被聚焦后，会有不同的焦点位置，称为色差。复色平行光束被聚焦后，会有不同的焦点位置，称为色差。像差