第四章光學中的光束限制A

1、1第四章第四章 光學系統(tǒng)中的光束限制光學系統(tǒng)中的光束限制 4-1 4-1 光闌光闌 4-2 4-2 照相系統(tǒng)中的光闌照相系統(tǒng)中的光闌 4-3 4-3 望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇 4-4 4-4 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析 4-5 4-5 光學系統(tǒng)的景深光學系統(tǒng)的景深2光學系統(tǒng)中用一些中心開孔的薄金屬片來合理地限制成像光束的寬度、位置和成像范圍，這些限制成像光束和成像范圍的薄金屬片稱為光闌光闌。分為孔徑光闌和視場光闌，所謂視場視場就是能成像的物面范圍。一、孔徑光闌一、孔徑光闌（一）定義限制軸上物點孔徑角U的大小，或限制軸上物點成像光束寬度，

2、并有選擇軸外物點成像光束位置作用的光闌叫孔徑孔徑光闌光闌。3就限制孔徑角U大小的作用來說，孔徑光闌可以安放在透鏡前；也可放在透鏡上與透鏡邊框重合；甚至可安放在透鏡后面。但孔徑光闌位置不同，軸外物點參與成像的光束位置就不同。45（二）入瞳、出瞳（二）入瞳、出瞳孔徑光闌的像稱為光瞳光瞳?？讖焦怅@經(jīng)前面光學系統(tǒng)所成的像為入射光瞳入射光瞳，簡稱入瞳入瞳；孔徑光闌經(jīng)后面光學系統(tǒng)所成的像為出射光瞳出射光瞳，簡稱出瞳出瞳。孔徑光闌、入瞳、出瞳是物象關系。若孔闌在系統(tǒng)最前面，出瞳與孔闌重合；若孔闌在系統(tǒng)最后面，則出瞳與孔闌重合；若孔闌在薄透鏡上，孔闌與入瞳、出瞳都重合。6（三）關于孔闌的幾個注意問題（三）關于

3、孔闌的幾個注意問題在具體的光學系統(tǒng)中，當物平面位置有變化，需分析再判斷誰是真正的孔徑光闌誰是真正的孔徑光闌。若幾塊口徑一定的透鏡組合在一起形成一個鏡頭，對于確定的軸上物點，找孔闌的方法找孔闌的方法：從軸上物點追跡一條近軸光線，求出光線在每個折射面上的投射高度，將其與相應折射面的實際口徑相比，則比值最大的折射面的邊框就是孔闌；或將每個透鏡經(jīng)前面的光學系統(tǒng)成像并求像的大小，對軸上物點所張角最小者為孔闌。7確定孔徑光闌的方法確定孔徑光闌的方法(1) 把光具組中所有光闌當作物，逐個地相對把光具組中所有光闌當作物，逐個地相對其前方系統(tǒng)成像。其前方系統(tǒng)成像。(2)由軸上物點向每個像的邊緣引直線，其中與由軸

4、上物點向每個像的邊緣引直線，其中與主光軸所夾銳角最小的即為入射孔徑角主光軸所夾銳角最小的即為入射孔徑角,對應的對應的像即為入射光瞳，入射光瞳對應的共軛物即為像即為入射光瞳，入射光瞳對應的共軛物即為孔徑光闌?？讖焦怅@。（3）將孔徑光闌向其后方系統(tǒng)成像，即為出射）將孔徑光闌向其后方系統(tǒng)成像，即為出射光瞳。由軸上像點出射光瞳邊緣連直線，與主光瞳。由軸上像點出射光瞳邊緣連直線，與主光軸所夾銳角即為出射孔徑角。光軸所夾銳角即為出射孔徑角。8孔闌位置的安放原則孔闌位置的安放原則在目視光學系統(tǒng)中，出瞳在目鏡外的一定位置，與人眼瞳孔相接；在投影計量光學系統(tǒng)中，系統(tǒng)的出瞳或入瞳位于無限遠處；當儀器對光闌無位置要

5、求時，光闌應處于軸外光束像差校正較完善的位置；光闌位置可考慮合理匹配光學系統(tǒng)各元件的口徑。9二、視場光闌二、視場光闌能清晰成像的物面范圍稱為光學系統(tǒng)的物方視場物方視場；能清晰成像的像面范圍稱為光學系統(tǒng)的像方視場像方視場；限制物體成像范圍的光闌稱為視場光闌視場光闌。對軸外物點的主光線限制最多的光闌稱為視場光闌。對軸外物點的主光線限制最多的光闌稱為視場光闌。視場光闌經(jīng)前面光學系統(tǒng)所成的像稱為入射窗入射窗，簡稱入窗入窗；視場光闌經(jīng)后面光學系統(tǒng)所成的像稱為出射窗出射窗，簡稱出窗出窗；若視場光闌安放在像面上，入窗就和物平面重合，出窗為視場光闌本身；若視場光闌安放在物平面上，入窗與視場光闌重合，出窗與像平

6、面重合；入窗、視場光闌、出窗互為物像關系。10視場光闌，入射窗和出射窗視場光闌，入射窗和出射窗 之間的關系之間的關系 視場光闌，入射窗和出射窗三者之間的關視場光闌，入射窗和出射窗三者之間的關系是物像共軛關系。系是物像共軛關系。 視場光闌對物面范圍和像面范圍大小都能視場光闌對物面范圍和像面范圍大小都能限制，大多數(shù)情況下間接實施控制限制，大多數(shù)情況下間接實施控制 對物面范圍的直接限制由入射窗來承擔對物面范圍的直接限制由入射窗來承擔; 對像面范圍的直接限制由出射窗來承擔。對像面范圍的直接限制由出射窗來承擔。11孔徑光闌和視場光闌孔徑光闌和視場光闌 對軸上物點光束的口徑（立體角或者發(fā)光截面）限制得最對

7、軸上物點光束的口徑（立體角或者發(fā)光截面）限制得最多的光闌稱為孔徑光闌。多的光闌稱為孔徑光闌。 對光具組成像的視場限制最多的光闌稱為視場光闌。對光具組成像的視場限制最多的光闌稱為視場光闌。 孔徑光闌限制成像物點的光束口徑，視場光闌限制成像的孔徑光闌限制成像物點的光束口徑，視場光闌限制成像的物面范圍，即物點個數(shù)物面范圍，即物點個數(shù)12注意：注意： 在一個完整的光學系統(tǒng)中（兩個以上光學在一個完整的光學系統(tǒng)中（兩個以上光學器件組成的光學系統(tǒng)），孔徑光闌和視場器件組成的光學系統(tǒng)），孔徑光闌和視場光闌不能由同一個器件兼任。光闌不能由同一個器件兼任。 13普通照相系統(tǒng)由三部分組成：照相鏡頭、可變光闌、感光底

8、片。成像原理：照相鏡頭將外面的景物成像在感光底片上?？烧{光圈（可變光闌）視場光闌14一、孔徑光闌的位置對選擇光束的作用一、孔徑光闌的位置對選擇光束的作用軸上點：就限制軸上點的光束寬度而言，孔徑光闌處于A或A的位置情況無差別。軸外點：孔徑光闌位置不同，參與成像的軸外光束不一樣，軸外光束通過透鏡L的部位也不一樣，需要通過全部成像光束的透鏡口徑大小也不一樣。15當透鏡L的實際口徑比光線投射高度的要小時，則陰影部分被L的邊框擋住而不能參與成像，因此軸外點成像光束寬度比軸上點的要小，像面邊緣部分比像面中心暗，這種現(xiàn)象稱為漸暈漸暈。透鏡L的邊框起攔光作用，稱漸暈漸暈光闌光闌。161718則漸暈系數(shù)定義為：

9、1wDKD軸向光束口徑軸外光束寬度為縮短光學零件的外形尺寸，實際光學系統(tǒng)中視場邊緣一般都有一定的漸暈?？偨Y在照相光學系統(tǒng)中，根據(jù)軸外光束的像質來選擇孔徑光闌的位置，其大致位置在照相物鏡的某個空氣間隔中。在有漸暈的情形下，軸外點光束寬度不僅由孔徑光闌的口徑確定，而且還和漸暈光闌的口徑有關。照相光學系統(tǒng)中，感光底片的框子就是視場光闌。194-3 4-3 望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇 望遠鏡系統(tǒng)由物鏡和目鏡組成，再加上光路轉折和轉像的反射棱鏡，系統(tǒng)中限制光束的情況比較復雜。雙目望遠鏡分劃板視場光闌孔徑光闌20 對望遠鏡系統(tǒng)總結：對望遠鏡系統(tǒng)總結：兩個光學系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應滿足

10、光瞳銜接原則；目鏡光學系統(tǒng)的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm;望遠系統(tǒng)的孔徑光闌大致在物鏡左右，具體位置可根據(jù)盡量減少光學零件的尺寸和體積的考慮去設定；可放分劃板的望遠鏡中，分劃板框是望遠系統(tǒng)的視場光闌。出瞳距出瞳距指望遠系統(tǒng)的出瞳到目鏡最后一面的距離。21一、簡單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制一、簡單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制一般可以安放分劃板22二、遠心光路二、遠心光路 用于測量的光學系統(tǒng)中，利用孔徑光闌在特定位置對光束的限制，構成特殊的光路，可以減少甚至消除由于調焦不準而引入的測量誤差。 遠心光路是比較重要也是在實際應用中使用比較多的一類光路類型，主要用于計量儀器之中。常用的計量儀器分為二種：一

11、種是測量長度的如工具顯微鏡，一種是測量距離的如：水準儀、經(jīng)緯儀等。 把入射光束中通過入瞳中心的光線稱為把入射光束中通過入瞳中心的光線稱為主光線主光線，它代表光，它代表光束的中心。為主光線通過入射光瞳中心、孔徑光闌中心和束的中心。為主光線通過入射光瞳中心、孔徑光闌中心和出射光瞳中心。每個物點僅對應一條主光線。出射光瞳中心。每個物點僅對應一條主光線。 23物方物方遠心光路遠心光路孔徑光闌設置在光學系統(tǒng)的像方焦點處，其入瞳在物方無窮遠，這種光路稱為物方遠心光路物方遠心光路。非物方遠心光路測量測量誤差1yyy24物方遠心光路此時，主光線在物方平行于光軸，在像方必經(jīng)過像方焦點，主光線在像面上的高度為：x

12、yyyf 顯然，y與y一一對應，不論物體位置如何變化，主光線在像面上的位置始終不變，消除了由于調焦不準而引入的測量誤差。25特點：特點：光學系統(tǒng)的物方主光線平行于光軸，主光線的會聚中心位于物方無限遠處。 物方遠心光路的特點及優(yōu)點可以工具顯微鏡為例進行說明。 作用：作用：消除（減少）由于視差所引起的測量誤差。 26像方像方遠心光路遠心光路孔徑光闌位于光學系統(tǒng)的物方焦面上時，其出瞳在像方無窮遠，這種光路稱為像方遠心光路像方遠心光路。非像方遠心光路則主光線在像面上的高度為：yylfxl因像面位置的調焦狀況而變化，因此測得的主光線的像高y隨l的變化而變化，產生測量誤差。27像方遠心光路此時，主光線在物

13、方經(jīng)過系統(tǒng)的物方焦點，在像方以平行于光軸的方向射出，其高度為：yyhfx顯然，無論像面調焦情況如何，主光線在像面上的高度始終不變，消除了由于調焦不準而引入的測量誤差。28特點：特點：光學系統(tǒng)的像方主光線平行于光軸，主光線的會聚中心位于像方無限遠處。 作用：作用：消除/減少測距誤差。 29三、場鏡的應用三、場鏡的應用有時具體的儀器結構需要長光路的顯微鏡系統(tǒng)，一般加一個-1倍透鏡轉像系統(tǒng)來達到加長光路的目的。上述光路使物鏡后面的系統(tǒng)口徑大到不堪設想的地步，原因是孔徑光闌在物鏡上，主光線在轉像透鏡和目鏡上的投射高度很高。物鏡孔徑光闌目鏡30因此在一次實象面處加一塊透鏡，以降低主光線在后面系統(tǒng)上的投射

14、高度。而且對顯微系統(tǒng)的光學特性無影響，也不改變軸上點的光束走向。這種和像平面重合，或者和像平面很靠近的透鏡稱為場鏡場鏡。場鏡將孔徑光闌成像在-1倍轉像透鏡上。而且滿足后面的光瞳相接原則。-1*轉像透鏡一次實像面31顯微系統(tǒng)總結：顯微系統(tǒng)總結：一般顯微鏡系統(tǒng)中，孔徑光闌置于顯微物鏡上，一次實像面處安裝系統(tǒng)的視場光闌；顯微系統(tǒng)用于測長時，為消除測量誤差，孔徑光闌安放在顯微物鏡的像方焦面處，形成物方遠心光路；在長光路系統(tǒng)中往往利用場鏡達到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，以減小光學零件的口徑。32一、景深一、景深在空間有一定深度的物體成平面像，這種情況的出現(xiàn)與物體發(fā)出光束受到限制有關。33在平面上成清晰像的物空間

15、深度稱為景深景深。與像平面共軛的物平面為對準平面對準平面。能成清晰像的最遠物面稱為遠遠景面景面。能成清晰像的最近物面稱為近景面近景面。遠景面到近景面之間的距離稱為景深景深。相應有遠景深遠景深和近景深近景深。由幾何關系知：1111122122zPPDPPDPDzzPPDPPDzDPZ1、Z2的像的光斑應滿足清晰像，即12zzz11DPPDzDPPDz1122z PPPDzz PPPDz 2222DPzD Pz 接受器分辨率表明遠景深與近景深并非對稱于對準平面。12 34影響景深位置的因素 影響景深位置的因素：光圈，焦距，攝距（物距）。這三者與景深的關系如下： 光圈大，景深小；光圈小，景深大。 焦距長，景深小；焦距短，景深大。 物距近，景深小；物距遠，景深大。 景深產生原因： 接收器件本身不完善性造成的。 22