光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制

1、4 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制孔徑光闌和視場(chǎng)光闌典型光學(xué)系統(tǒng)中的光闌景深光束限制問題的由來l能進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光束孔徑有限l光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)有限l原因：光學(xué)元件的有限大小，系統(tǒng)空間的有限大小l光束的限制狀況影響系統(tǒng)性能光闌及分類l光闌：限制光場(chǎng)空間范圍的光孔l孔徑光闌（孔闌）：限制光束口徑的光闌l經(jīng)其前方光組所成的孔闌像：入瞳；經(jīng)其后方光組成的孔闌像：出瞳。入瞳、孔闌、出瞳三者共軛l過光瞳中心的光線稱主光線；過光瞳邊緣的光線稱邊光線l視場(chǎng)：成清晰像的垂軸范圍l視場(chǎng)光闌（視闌）：限制視場(chǎng)的光闌l經(jīng)其前方光組所成的視闌像：入窗；經(jīng)其后方光組成的視闌像：出窗）。入窗、視闌、出窗三者共軛孔徑光闌對(duì)軸上點(diǎn)的作用孔

2、徑光闌對(duì)軸上點(diǎn)的作用l限制軸上物點(diǎn)發(fā)出光束的孔徑角大小限制軸上物點(diǎn)發(fā)出光束的孔徑角大小l孔徑光闌位置不同對(duì)光束的限制作用相同孔徑光闌位置不同對(duì)光束的限制作用相同孔徑光闌對(duì)軸外點(diǎn)的作用孔徑光闌對(duì)軸外點(diǎn)的作用l不同位置的孔徑光闌對(duì)軸外成像光束的限制不同光瞳和孔徑光闌的確定l所有光學(xué)元件的通光孔，分別經(jīng)其前面的光組成像到物空間，對(duì)物面中心張角最小的是入瞳l所有光學(xué)元件的通光孔，分別經(jīng)其后面的光組成像到像空間，對(duì)像面中心張角最小的是出瞳l與入、出瞳對(duì)應(yīng)的實(shí)際光孔是孔徑光闌孔徑光闌與入射光瞳孔徑光闌與入射光瞳F 孔徑光闌孔徑光闌孔徑光闌與出射光瞳孔徑光闌與出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌窗與視場(chǎng)光闌的確定l所有

3、光學(xué)元件的通光孔，分別經(jīng)其前面的光組成像到物空間，對(duì)入瞳中心張角最小的是入窗l(fā)所有光學(xué)元件的通光孔，分別經(jīng)其后面的光組成像到像空間，對(duì)出瞳中心張角最小的是出窗l(fā)與入、出窗對(duì)應(yīng)的實(shí)際光孔是視場(chǎng)光闌孔闌的設(shè)置原則l系統(tǒng)對(duì)光能量的需求l系統(tǒng)對(duì)空間分辨率的要求l對(duì)目視儀器，光學(xué)系統(tǒng)的出瞳應(yīng)與人眼瞳孔重合，使得光能利用率最高l測(cè)量儀器中，孔闌要與焦面重合，以消除測(cè)量誤差目視儀器的出瞳位置l系統(tǒng)出瞳與眼瞳不重合造成的能量損耗照相系統(tǒng)中的光闌f-f物面CCD面1 透鏡邊框2 光圈像入瞳光圈入窗孔闌出瞳視闌出窗3 CCD面像用光瞳表示光束限制l只畫出光瞳入瞳入窗出瞳出窗PP望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的光闌l孔徑光闌在物鏡附近

4、l分劃板置于物鏡后焦面l分劃板邊框?yàn)橐晥?chǎng)光闌f1物鏡、孔闌入瞳分劃板視闌目鏡-f2顯微系統(tǒng)中的光闌l孔徑光闌在物鏡上l分劃板置于物鏡像面l分劃板邊框?yàn)橐晥?chǎng)光闌l1物鏡、孔闌入瞳分劃板視闌目鏡-l2顯微測(cè)量原理l物AB成像為AB，若測(cè)出AB高度y ，根據(jù)共軛面放大率，就能求出物的大小y物面位置不準(zhǔn)引起的測(cè)量誤差l物面不準(zhǔn)像面移動(dòng)像面與刻尺面分離lAB A1B1， A1B1A1B1lA1、B1兩點(diǎn)在理想像面（刻尺面）上造成彌散斑l兩彌散斑中心間隔為y1 y孔闌安置在后焦面上消除誤差l即使實(shí)際像面與理想像面不重合， y1= y物方遠(yuǎn)心光路l孔闌位于系統(tǒng)后焦面l入瞳在物方無限遠(yuǎn)物方遠(yuǎn)心光路l特點(diǎn)：l入

5、射光束的主光線都平行于光軸l物體位置變化不影響測(cè)量結(jié)果測(cè)距原理l已知高度為y的物體AB成像于AB，測(cè)出像高y，由=y/y=l/l，得距離x=fy/yxf調(diào)焦不準(zhǔn)引起的測(cè)量誤差l調(diào)焦不準(zhǔn) AB與刻尺面AB不重合lA、B在刻尺面上產(chǎn)生兩個(gè)彌散斑l彌散斑中心距離yy孔闌置于系統(tǒng)前焦面消除誤差l即使調(diào)焦不準(zhǔn)，仍有y=y像方遠(yuǎn)心光路l孔闌位于系統(tǒng)前焦面l出瞳在像方無限遠(yuǎn)像方遠(yuǎn)心光路l特點(diǎn)：l出射光束的主光線都平行于光軸l即使像面位置不與刻尺面重合也不影響測(cè)量結(jié)果兩個(gè)光組的串聯(lián)l要求1l兩光組的焦距不變l降低后光組的光線入射高度l加入場(chǎng)鏡l其位置與前光組所成的像重合場(chǎng)鏡的設(shè)計(jì)l要求2l主光線連續(xù)通過前后兩

6、個(gè)光組l場(chǎng)鏡焦距的選擇l把前組的出瞳成像到后組的入瞳視場(chǎng)大小的度量l物體在遠(yuǎn)處，物方視場(chǎng)角2，像方視場(chǎng)角2l物體有限遠(yuǎn)，物方線度2y，像方線度2y視場(chǎng)與視窗、光瞳的關(guān)系l由視窗決定成像范圍僅適用于光瞳很小的情況l入瞳無限小時(shí)，入窗邊緣對(duì)入瞳中心所確定的區(qū)域AB為視場(chǎng)l入瞳有限大小時(shí)，B以外的物點(diǎn)，主光線不能通過入窗，邊光線可能通過l既能過入窗，又能過入瞳，才能參與成像l光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)不僅與視窗有關(guān)，還與光瞳大小有關(guān)入窗和入瞳對(duì)光束的限制三個(gè)通光不同的區(qū)域lAB1為半徑的圓，每個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的充滿入瞳的光束都能通過入窗(截面圖a)lB1B2環(huán)帶，充滿入瞳的光束大部分通過入窗，10050% (截面圖b

7、)lB2B3環(huán)帶，充滿入瞳的光束小部分通過入窗，500% (截面圖c)漸暈l這種因軸外物點(diǎn)發(fā)出的光束被阻擋，像面上光能量從中心到周邊逐漸減少的現(xiàn)象稱漸暈l漸暈系數(shù)：漸暈程度l線漸暈系數(shù)：軸外點(diǎn)有效光束與軸上光束在光瞳面上的線度之比l面漸暈系數(shù)：軸外點(diǎn)有效光束與軸上光束在光瞳面上的面積之比視場(chǎng)光闌的設(shè)置準(zhǔn)則l若無漸暈，需B1B3=D(p-q)/p=0lp=ql為消除漸暈，視闌應(yīng)如此設(shè)置：入窗與物面重合，或出窗與像面重合三維景物的成像l前面分析的是垂直于光軸平面上物體在共軛面上的成像l實(shí)際景物常為三維，多個(gè)平面參與成像l只有一個(gè)平面物體能清晰成像，其他物面在像面為彌散斑l彌散斑足夠小時(shí)，可視為清晰成像l景深：縱向多大的物空間范圍可成清晰像非對(duì)準(zhǔn)面上物點(diǎn)在像面上的彌散斑l入瞳與H重合，出瞳與H重合lA(對(duì)準(zhǔn)面)和A(理想像面)為一對(duì)共軛面lB1在A和A面的彌散斑直徑Z1、Z1， B2在A和A面的彌散斑直徑Z2、Z2景深l能成清晰像的最遠(yuǎn)物面稱遠(yuǎn)景面，其到對(duì)準(zhǔn)面的距離為遠(yuǎn)景深度1l能成清晰像的最近物面稱近景面，其到對(duì)準(zhǔn)面的距離