工程光學教學-第04章-1ppt課件

1、u孔徑光闌、視場光闌的確定方法孔徑光闌、視場光闌的確定方法u遠心光路遠心光路u景深景深光闌：構(gòu)成光具組的各種光學元件的邊框或一些開光闌：構(gòu)成光具組的各種光學元件的邊框或一些開孔屏，對成像光束的截面和空間立體角的大孔屏，對成像光束的截面和空間立體角的大小等起到一定限制作用。小等起到一定限制作用。 光闌的作用：通過限制光具組的光束孔徑和視場，光闌的作用：通過限制光具組的光束孔徑和視場，影響著光具組成像的像差、像的亮暗、影響著光具組成像的像差、像的亮暗、景深、分辨本領及空間范圍等。景深、分辨本領及空間范圍等。 光闌的類型：孔徑光闌，視場光闌光闌的類型：孔徑光闌，視場光闌孔徑光闌孔徑光闌限制軸上物點光

2、束寬度的光孔，也稱為限制軸上物點光束寬度的光孔，也稱為“有效光闌有效光闌” P1P2是孔徑光闌是孔徑光闌,主要用于控制成像面的光能！主要用于控制成像面的光能！孔徑光闌孔徑光闌BAP1P2O1PO2-UUAB1 1、孔徑光闌的定義與作用、孔徑光闌的定義與作用 孔徑光闌同時具有選擇軸外物點成像光束的位置作用孔徑光闌同時具有選擇軸外物點成像光束的位置作用孔徑光闌孔徑光闌2 2、入射光瞳和出射光瞳、入射光瞳和出射光瞳 P1P2孔徑光闌孔徑光闌經(jīng)前 方 光 學 系經(jīng)前 方 光 學 系統(tǒng) 所 成 的 像統(tǒng) 所 成 的 像 P1P2稱為入射稱為入射光瞳 ， 簡 稱 入光瞳 ， 簡 稱 入瞳， 入 瞳 邊 緣

3、瞳， 入 瞳 邊 緣對物點對物點A的張角的張角稱為 物 方 孔 徑稱為 物 方 孔 徑角角2U孔徑光闌孔徑光闌BAQ1Q2P1P2P2P1O1PPO2-UU孔徑光闌孔徑光闌2 2、入射光瞳和出射光瞳、入射光瞳和出射光瞳 P1P2孔徑光闌孔徑光闌經(jīng)后 方 光 學 系經(jīng)后 方 光 學 系統(tǒng)所成的像統(tǒng)所成的像 P1P2稱為出射稱為出射光瞳 ， 簡 稱 出光瞳 ， 簡 稱 出瞳， 出 瞳 邊 緣瞳， 出 瞳 邊 緣對像點對像點A的張的張角稱 為 像 方 孔角稱 為 像 方 孔徑角徑角2U出射光瞳出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌入射光瞳入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU通過入瞳中心

4、的光線稱為主光線，也通過孔徑光闌和通過入瞳中心的光線稱為主光線，也通過孔徑光闌和出射光瞳中心出射光瞳中心,是各個物點發(fā)出的成像光束的光束軸線。是各個物點發(fā)出的成像光束的光束軸線。 出射光瞳出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌入射光瞳入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU主光線主光線光瞳圖光瞳圖QQDDDD由于光組的孔徑光闌分別與入射光瞳和出射光瞳相對于孔徑光闌前、由于光組的孔徑光闌分別與入射光瞳和出射光瞳相對于孔徑光闌前、后部分共軛，因此入射光瞳與出射光瞳相對于整個光組共軛。根據(jù)這些后部分共軛，因此入射光瞳與出射光瞳相對于整個光組共軛。根據(jù)這些共軛特性，凡是能夠進入入射光瞳的光線

5、，就一定能夠通過孔徑光闌和共軛特性，凡是能夠進入入射光瞳的光線，就一定能夠通過孔徑光闌和出射光瞳；過入射光瞳邊沿的光線邊沿光線），也一定過孔徑光闌和出射光瞳；過入射光瞳邊沿的光線邊沿光線），也一定過孔徑光闌和和出射瞳邊沿；而過入射光瞳中心的光線通常稱為主光線），也一定和出射瞳邊沿；而過入射光瞳中心的光線通常稱為主光線），也一定過孔徑光闌和出射光瞳中心。這表明，可以利用光瞳圖來表征一個光學過孔徑光闌和出射光瞳中心。這表明，可以利用光瞳圖來表征一個光學系統(tǒng)。系統(tǒng)。入瞳出瞳光光瞳瞳圖圖邊沿光線主光線孔徑光闌孔徑光闌3 3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 AB孔徑光闌孔

6、徑光闌孔徑光闌孔徑光闌3 3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 首先，將系統(tǒng)中所有元件的光孔成像到物空間，首先，將系統(tǒng)中所有元件的光孔成像到物空間，用計算方法確定其位置和大小用計算方法確定其位置和大小 。第二步，由物面中心第二步，由物面中心A點對各個像的邊緣引直線，入點對各個像的邊緣引直線，入射光瞳是其中張角最小者，對應的物為孔徑光闌。射光瞳是其中張角最小者，對應的物為孔徑光闌。O2AO1O2PP1P2F1P1P2孔徑光闌孔徑光闌3 3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 若物體位于無限遠，此時僅比較各個像本身的大若物體位于無限遠，此時

7、僅比較各個像本身的大小，其口徑最小者即為入射光瞳。小，其口徑最小者即為入射光瞳。 確定孔徑光闌的方法，也可以先確定出射光瞳。確定孔徑光闌的方法，也可以先確定出射光瞳。對稱于光闌的對稱式系統(tǒng)：入射光瞳和出射光瞳的對稱于光闌的對稱式系統(tǒng)：入射光瞳和出射光瞳的大小和倒正都一樣，入瞳和出瞳之間的倍率為大小和倒正都一樣，入瞳和出瞳之間的倍率為+1，入，入射光瞳面和出射光瞳面分別與光學系統(tǒng)的物方主平面射光瞳面和出射光瞳面分別與光學系統(tǒng)的物方主平面和像方主平面重合。和像方主平面重合?？讖焦怅@孔徑光闌3 3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 入瞳的大小是由光學系統(tǒng)對成像光能的要求

8、或者入瞳的大小是由光學系統(tǒng)對成像光能的要求或者對物體細節(jié)的分辨能力對物體細節(jié)的分辨能力(分辨率分辨率)的要求來確定的。的要求來確定的。常以入瞳直徑和焦距之比值來表示，常以入瞳直徑和焦距之比值來表示， 稱為相對孔稱為相對孔徑，它是光學系統(tǒng)的一個重要的性能指標。徑，它是光學系統(tǒng)的一個重要的性能指標。/ fD孔徑光闌孔徑光闌3 3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 對于目視光學系統(tǒng)，出瞳必須在目鏡外，便于與對于目視光學系統(tǒng)，出瞳必須在目鏡外，便于與其銜接。其銜接。在投影計量光學中，要求入瞳或出瞳位于無窮遠。在投影計量光學中，要求入瞳或出瞳位于無窮遠。在光學設計時，可以合

9、理設置孔徑光闌位置用以在光學設計時，可以合理設置孔徑光闌位置用以校正像差。校正像差?？梢院侠碓O置孔徑光闌的大小來匹配光學鏡組之可以合理設置孔徑光闌的大小來匹配光學鏡組之間的能量。間的能量。 視場光闌視場光闌DP1QP2w0w0w0w0LD視場：能夠通過光組清晰成像的物平面空間范圍視場：能夠通過光組清晰成像的物平面空間范圍 視場光闌：限制物平面或物空間范圍的光闌。視場光闌：限制物平面或物空間范圍的光闌。 視場光闌視場光闌視場光闌視場光闌 限制物平面或物空間范圍的光闌稱視場光闌。限制物平面或物空間范圍的光闌稱視場光闌。 Q1Q2是視場光闌。是視場光闌。Q1Q2為入射窗為入射窗;Q1Q2本身也為出本

10、身也為出射窗。射窗。通常設置在系統(tǒng)的通常設置在系統(tǒng)的實像平面或物平面實像平面或物平面出射光瞳出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌入射光瞳入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU視場光闌視場光闌(出射窗出射窗)入射窗入射窗Q1Q2(2)計算這些像的邊緣對入瞳中心的張角大小。張角最計算這些像的邊緣對入瞳中心的張角大小。張角最小者即為入射窗，入射窗對應的光學元件為視場光闌小者即為入射窗，入射窗對應的光學元件為視場光闌.w2入射窗邊緣對入瞳中心的張角為物方視場角入射窗邊緣對入瞳中心的張角為物方視場角 ，同時，同時也決定了視場邊緣點。也決定了視場邊緣點。視場光闌經(jīng)后面光學零件所成的像即為出射

11、窗，出射視場光闌經(jīng)后面光學零件所成的像即為出射窗，出射窗對出瞳中心的張角即為像方視場角窗對出瞳中心的張角即為像方視場角 。2w確定視場光闌的方法：確定視場光闌的方法： (1)將所有光孔經(jīng)前面的光學系統(tǒng)成像到物空間，確將所有光孔經(jīng)前面的光學系統(tǒng)成像到物空間，確定入瞳中心位置定入瞳中心位置 (實際上在確定孔徑光闌時這一步驟實際上在確定孔徑光闌時這一步驟已完成已完成)。 BABO2O1O2PPAP入射窗入射窗出射光瞳出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌入射光瞳入射光瞳減小孔徑光闌并不會對視場產(chǎn)生影響過入射光減小孔徑光闌并不會對視場產(chǎn)生影響過入射光瞳中心的主光線也一定過孔徑光闌中心。瞳中心的主光線也一定過孔徑光闌

12、中心。 ）孔徑光闌的變化孔徑光闌的變化孔徑光闌孔徑光闌BAP1P2O1PPPO2-UU主光線主光線視場光闌在像方對光線的限制在本質(zhì)上是在物方對光視場光闌在像方對光線的限制在本質(zhì)上是在物方對光線的限制。線的限制。視場較大視場較大視場較小視場較小視場與成像范圍視場與成像范圍例：有一個由三個光學零件組成的光組，透鏡例：有一個由三個光學零件組成的光組，透鏡O1,其口徑其口徑D14mmf1=36mm，透鏡，透鏡O2，其口，其口徑徑 D212mm，f2=15mm,二透鏡間隔二透鏡間隔195mm，在離透鏡在離透鏡O1右右180mm處設有一光孔處設有一光孔D310mm，物點離透鏡物點離透鏡Ol為為-45mm1

13、求孔徑光闌和入瞳求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置出瞳的大小和位置?2)求視場光闌和入窗出窗的求視場光闌和入窗出窗的大小和位置？大小和位置？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm解：光孔解：光孔D3經(jīng)經(jīng)O1成像成像mmflfll45361803618013133在在O1左方與物點重合左方與物點重合mmDllD5 . 210180453333AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mmAO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm透鏡透鏡O2O2經(jīng)經(jīng)O1O1成像成像 mmflfll15.443619536

14、19512122mmDllD72. 21219515.442222在在A點右方點右方0.85mmAO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（1求孔徑光闌、入瞳、出瞳求孔徑光闌、入瞳、出瞳044. 04521tgU6 . 115.44452/72. 22tgU02/5 . 23tgUU1最小，故物鏡框最小，故物鏡框O1是入瞳，也是孔徑光闌。它經(jīng)是入瞳，也是孔徑光闌。它經(jīng)O2的像為出瞳。的像為出瞳。 mmflfll25.16151951519521211mmDllD33. 0419525.161111AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=

15、12mm（2 2求視場光闌、入窗、出窗求視場光闌、入窗、出窗 0616. 015.4472. 2055. 0455 . 223wwtgtg故光孔故光孔O3O3為視場光闌，入窗與物平面重合，大為視場光闌，入窗與物平面重合，大小為小為2.5mm2.5mm，出窗在無窮遠。，出窗在無窮遠。 O1 的像高O2 的像高作業(yè)作業(yè)O2O4AF1BO1O3F1F2ABF2如 下 圖 ， 有 一 光 學 透 鏡 組如 下 圖 ， 有 一 光 學 透 鏡 組 O 1 , O 2 的 口 徑的 口 徑D1=D2=50mm,焦距焦距f1=f2=150,兩透鏡間距為兩透鏡間距為300mm,并在中間置以光孔并在中間置以光孔

16、O3,口徑口徑D3=20mm,透鏡透鏡O2右側(cè)右側(cè)150mm出置一光孔出置一光孔O4,孔徑孔徑D4=40mm,平面物平面物體處于透鏡體處于透鏡O1左側(cè)左側(cè)150mm處。處。1求孔徑光闌和入求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置？瞳出瞳的大小和位置？2求視場光闌和入窗出窗的求視場光闌和入窗出窗的大小和位置？大小和位置？O4照相系統(tǒng)組成照相系統(tǒng)組成F/1F/1.4F/2F/2.8F/4F/5.6F/8F/11F/16F/22F/32F/45F/64照相機的光圈數(shù)照相機的光圈數(shù)afF2/ 光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影

17、響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響常見照相系統(tǒng)的光闌位置常見照相系統(tǒng)的光闌位置漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌 軸外物點充滿孔徑光闌的光束被部分地攔截，稱為軸外物點充滿孔徑光闌的光束被部分地攔截，稱為“漸暈漸暈”。該光闌稱為。該光闌稱為“漸暈光闌漸暈光闌”，漸暈光闌多為透鏡，漸暈光闌多為透鏡框。漸暈光闌的作用是參與限制軸外點成像光束。

18、框。漸暈光闌的作用是參與限制軸外點成像光束。漸暈光闌漸暈光闌DwDDDKww望遠鏡系統(tǒng)的組成望遠鏡系統(tǒng)的組成望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置簡單顯微系統(tǒng)中的光束限制簡單顯微系統(tǒng)中的光束限制遠心光路遠心光路物方遠心光路物方遠心光路像方遠心光路像方遠心光路物方遠心光路物方遠心光路 光學儀器中的很大部分儀器用來測量長度。光學儀器中的很大部分儀器用來測量長度。有一類光學儀器要求以有一類光學儀器要求以“恒定放大率恒定放大率” 使被測物之像使被測物之像與一刻尺相比，以求得一被測物之長度。與一刻尺相比，以求得一被測物之長度。工具顯微鏡工具顯微鏡按工具顯微鏡的工

19、作臺的大按工具顯微鏡的工作臺的大小和可移動的距離、測量精小和可移動的距離、測量精度的高低以及測量范圍的寬度的高低以及測量范圍的寬窄，一般分為小型，大型和窄，一般分為小型，大型和萬能型及重型。它們的測量萬能型及重型。它們的測量精度和測量范圍不同，但基精度和測量范圍不同，但基本結(jié)構(gòu)、測量方法大致相同本結(jié)構(gòu)、測量方法大致相同 孔徑光闌為物鏡鏡框的情況孔徑光闌為物鏡鏡框的情況標尺分劃板標尺分劃板（實像面）（實像面）分劃板與物鏡距離固定，分劃板與物鏡距離固定，以確保放大率為常數(shù)以確保放大率為常數(shù)因精確聚焦困難，因精確聚焦困難，測量誤差較大。測量誤差較大。設計設計物面物面孔徑光闌移至物鏡鏡框后焦平面時的情

20、況孔徑光闌移至物鏡鏡框后焦平面時的情況光路特點是入瞳位于無窮遠，軸外點主光線平行于光光路特點是入瞳位于無窮遠，軸外點主光線平行于光軸，稱為物方遠心光路常用于顯微鏡測量系統(tǒng)）。軸，稱為物方遠心光路常用于顯微鏡測量系統(tǒng)）。軸外物點光束軸外物點光束中心相同中心相同分劃板標尺上分劃板標尺上兩個彌散園中兩個彌散園中心間距不變心間距不變測量顯微鏡物方遠心光路。測量顯微鏡物方遠心光路。孔徑光闌孔徑光闌像方遠心光路像方遠心光路另一類光學儀器是把標尺放在不同的位置，通過改另一類光學儀器是把標尺放在不同的位置，通過改變光學系統(tǒng)的放大率而使標尺像等于一個已知值，變光學系統(tǒng)的放大率而使標尺像等于一個已知值，以求得儀器

21、到標尺之間的距離。以求得儀器到標尺之間的距離。經(jīng)緯儀經(jīng)緯儀像方遠心光路像方遠心光路這種情況如果孔徑光闌仍為物鏡框，由于調(diào)焦不準，這種情況如果孔徑光闌仍為物鏡框，由于調(diào)焦不準，標尺的像不與分劃板刻線平面重合，使讀數(shù)產(chǎn)生誤標尺的像不與分劃板刻線平面重合，使讀數(shù)產(chǎn)生誤差而影響測量精度。差而影響測量精度。像方遠心光路像方遠心光路為消除或減小這種誤差，可以在物鏡的物方焦平面為消除或減小這種誤差，可以在物鏡的物方焦平面上設置一個孔徑光闌。上設置一個孔徑光闌。 場鏡的應用場鏡的應用在一些應用中，需要加長光學系統(tǒng)，以滿足出在一些應用中，需要加長光學系統(tǒng)，以滿足出瞳的匹配要求。瞳的匹配要求。 一種方法是在系統(tǒng)中

22、加入一個放大倍率為一種方法是在系統(tǒng)中加入一個放大倍率為-1倍倍的成像透鏡。的成像透鏡。 在望遠系統(tǒng)中，需要采用棱鏡轉(zhuǎn)折光路，以縮在望遠系統(tǒng)中，需要采用棱鏡轉(zhuǎn)折光路，以縮短光學系統(tǒng)。短光學系統(tǒng)。 場鏡的應用場鏡的應用這種方法為導致主光線在目鏡上的投射高度很高，這種方法為導致主光線在目鏡上的投射高度很高，從而使目鏡的口徑大大增加。從而使目鏡的口徑大大增加。 場鏡的應用場鏡的應用1轉(zhuǎn)像系統(tǒng)場鏡的應用場鏡的應用加入薄透鏡不會改變原成像系統(tǒng)的特性。加入薄透鏡不會改變原成像系統(tǒng)的特性。 加入薄透鏡也不會改變軸上點光束的行進走向。加入薄透鏡也不會改變軸上點光束的行進走向。 前面討論的只是在垂直于光軸的平面上

23、點的成像問前面討論的只是在垂直于光軸的平面上點的成像問題，屬于這種情況的光學系統(tǒng)有照相制版物鏡，電影題，屬于這種情況的光學系統(tǒng)有照相制版物鏡，電影放映物鏡等。實際上，有很多儀器需要把空間中的物放映物鏡等。實際上，有很多儀器需要把空間中的物點成像在一個像面上，如望遠鏡和照相機等。這就存點成像在一個像面上，如望遠鏡和照相機等。這就存在著空間物在平面上成像的清晰度問題。在著空間物在平面上成像的清晰度問題。 光學系統(tǒng)的空間像光學系統(tǒng)的空間像景象平面景象平面對準平面對準平面彌散斑 光學系統(tǒng)的空間像光學系統(tǒng)的空間像景象平面景象平面對準平面對準平面彌散斑 光學系統(tǒng)的空間像光學系統(tǒng)的空間像景象平面景象平面對準

24、平面對準平面彌散斑 光學系統(tǒng)的空間像光學系統(tǒng)的空間像景象平面景象平面對準平面對準平面彌散斑 光學系統(tǒng)的空間像光學系統(tǒng)的空間像景象平面景象平面對準平面對準平面彌散斑 當彌散斑直徑小于人眼的鑒別能當彌散斑直徑小于人眼的鑒別能力，實際像產(chǎn)生的模糊是無法辨力，實際像產(chǎn)生的模糊是無法辨認的，可視為清晰像。此時，這認的，可視為清晰像。此時，這個彌散斑稱為容許彌散圓。個彌散斑稱為容許彌散圓。光學系統(tǒng)的景深光學系統(tǒng)的景深彌散斑在對焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓在在對焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓在物空間對應的物平面之間的距離就叫景深。物空間對應的物平面之間的距離就叫景深。P1pp2光圈值發(fā)

25、生變化光圈值發(fā)生變化焦深焦深焦焦深深ZZ對于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大對于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大22211122pppaZpppaZ 1 2p1pp2p1p2pZ2Z1B2B1a2景象平面景象平面對準平面對準平面Z1,Z2 是對準平面彌散斑直徑由相似三角形關系可得由相似三角形關系可得22211122pppaZpppaZ22112222ZaappZaapp遠景深遠景深11112ZapZpp22222ZapZpp近景深近景深遠近點遠近點遠景深遠景深近景深近景深pZZZ21通常容許彌散圓可表示為：通常容許彌散圓可表示為：22222144paappappp2211pappp2222人眼極限人眼極限分辨角分辨角景景 深深afF2/ 照相機的光圈數(shù)定義為：照相機的光圈數(shù)定義為：222222pFfFpf影響攝影鏡頭景深的因素：影響攝影鏡頭景深的因素：(1)、鏡頭光圈數(shù)：、鏡頭光圈數(shù)：光圈數(shù)越大，景深越大；光圈數(shù)越小，景深越?。还馊?shù)越大，景深越大；光圈數(shù)越小，景深越小；(2)、鏡頭焦距、鏡頭焦距鏡頭焦距越長，景深越??；焦距越短，景深越大；鏡頭焦距越