Введение в специальность кафедра прикладной и компьютерной оптики Основные характеристики оптических систем

2 Оптическая система Оптическая система – совокупность оптических сред, разделенных оптическими поверхностями, и содержащая диафрагмы Оптическая система предназначена для формирования изображения посредством перераспределения электромагнитного поля, исходящего от предмета

3 Оптический прибор изображение приемник изображения оптическая система предмет

4 Характеристики оптических систем Присоединительные характеристики Характеристики предмета и изображения Зрачковые характеристики Спектральные характеристики

5 Характеристики предмета и изображения Предмет – это совокупность точек, из которых выходят лучи, попадающие в оптическую систему Ближний тип – предмет или изображение расположены на конечном расстоянии Дальний тип – предмет или изображение расположены в бесконечности

6 Близкий предмет и изображение y x y x - S, [мм] предметизображение

7 Удаленный предмет и изображение y y - S, [дптр] предметизображение

8 Обобщенные характеристики предмета и изображения Обобщенные размеры поля предмета и изображения ( 2y 0 max, 2y 0 max ) – это удвоенные максимальные размеры предмета и изображения Передний и задний отрезки ( S, S ) – указывают положение предмета (изображения) по отношению к оптической системе

9 Типы оптических систем Телескопическая система: дальний предмет дальнее изображение Фотографический объектив: дальний предмет ближнее изображение Микроскоп: ближний предмет дальнее изображение Репродукционная система: ближний предмет ближнее изображение

10 Зрачковые характеристики Апертурная диафрагма – это диафрагма, которая ограничивает размер осевого пучка, то есть пучка, идущего из осевой точки предмета вх. зрачок осевой пучок апертурная диафрагма вых. зрачок

11 Входной и выходной зрачок Входной зрачок оптической системы – это изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов, сформированное предшествующей частью оптической системы в обратном ходе лучей вх. зрачок осевой пучок апертурная диафрагма вых. зрачок

12 Входной и выходной зрачок Выходной зрачок – это изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей вх. зрачок осевой пучок апертурная диафрагма вых. зрачок

13 Апертура Передняя (задняя) апертура – это размер входного (выходного) зрачка Числовая апертура – это произведение размера зрачка на показатель преломления D близкий предмет: близкое изображение: удаленный предмет: удаленное изображение:

14 Положение зрачков Для удаленного предмета или изображения: положение зрачка ( S p или S p ) измеряется относительно оптической системы в обратных миллиметрах, то есть в килодиоптриях Для близкого предмета или изображения: положение зрачка ( S p или S p ) измеряется в миллиметрах от предмета (изображения)

15 Спектральные характеристики н, в – нижняя и верхняя границы спектрального интервала 0 – центральная (основная) длина волны Функция относительного спектрального пропускания ( ) показывает, какое количество света пропускает оптическая система по отношению к падающему свету

16 Характеристики оптических систем Воздействие оптической системы: преобразование расходящегося пучка лучей, исходящего от предмета, в сходящиеся пучки (изменение масштаба) ограничение размеров пучка лучей и ослабление интенсивности света (передача энергии) искажение структуры предмета вследствие нарушения формы пучка лучей (передача структуры) Передаточные характеристики: масштабные передаточные характеристики энергетические передаточные характеристики структурные передаточные характеристики

17 Масштабные передаточные характеристики Обобщенное увеличение – это отношение величины изображения к величине предмета: обобщенное увеличение также связывает между собой входные и выходные апертуры: Видимое увеличение – это отношение тангенса угла, под которым предмет наблюдается через оптическую систему, к тангенсу угла, под которым предмет наблюдается невооруженным глазом

18 Обобщенное увеличение ТипПредметИзображение Обобщенное увеличение Размерность телескопическая система угловойугловое угловое увеличение – фотографический объектив угловойлинейное переднее фокусное расстояние f мм микроскоплинейныйугловое обратное заднее фокусное расстояние 1 / f мм -1 репродукционная система линейныйлинейное поперечное увеличение –

19 Дисторсия изображение без дисторсии дисторсия Дисторсия – увеличение в различных точках поля не одинаковое Пример

20 Энергетические передаточные характеристики Светосила H характеризует способность прибора давать более или менее яркие изображения: где E – освещенность предмета, E – освещенность изображения Функция светораспределения по полю Ф характеризует равномерность изображения: где H 0 – светосила в центре поля, H – светосила на краю поля

21 Структурные передаточные характеристики Функция рассеяния точки (ФРТ) описывает распределение интенсивности в изображении светящейся точки. Изображение светящейся точки называют пятном рассеяния – 1.12– I (x ) x x y

22 Разрешающая способность Разрешающая способность оптической системы – это способность изображать раздельно два близко расположенных точечных предмета

23 Разрешающая способность по Рэлею Предел разрешения – минимальное расстояние, при котором два близко расположенных точечных предмета будут изображаться как раздельные 20%

24 Разрешающая способность по Фуко Разрешающая способность определяется как максимальная пространственная частота периодического тест-объекта, в изображении которого еще различимы штрихи Пространственная частота измеряется: для удаленного изображения [лин/рад] для близкого изображения [лин/мм]

25 Частотно-контрастная характеристика контраст пространственная частота, [лин/мм]

26 Аберрации Аберрация – это отклонение хода реального луча от идеального. Аберрации приводят к ухудшению качества изображения если аберрации малы и преобладает дифракция, то такие системы называются дифракционно-ограниченными если аберрации велики, и дифракция теряется на фоне аберраций, то такие системы называются геометрически- ограниченными

27 Волновая аберрация Волновая аберрация – это отклонение выходящего волнового фронта от идеального, измеренное вдоль данного луча в количестве длин волн: идеальный волновой фронт волновой фронт изображение предмет оптическая система волновой фронт

28 Поперечные аберрации Поперечные аберрации x, y – это отклонения координат точки пересечения реального луча с плоскостью изображения от координат точки идеального изображения: для изображения ближнего типа – [мм] для изображения дальнего типа – [рад] y

29 Продольная аберрация Продольная аберрация S – это отклонение координаты точки пересечения реального луча с осью от координаты точки идеального изображения вдоль оси: для изображения ближнего типа – [мм] для изображения дальнего типа – [мм –1 ] y S

30 Хроматические аберрации Монохроматические аберрации не зависят от длины волны Хроматические аберрации – это проявление зависимости характеристик оптической системы от длины волны света: хроматизм положения – это аберрация, при которой изображения одной точки предмета расположены на разном расстоянии от оптической системы для разных длин волн хроматизм увеличения – это аберрация, при которой увеличение оптической системы зависит от длины волны Пример