第04章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌與光束限制

1、第一節(jié)第一節(jié) 光闌光闌第二節(jié)第二節(jié) 照相系統(tǒng)的光闌照相系統(tǒng)的光闌 第三節(jié)第三節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇第四節(jié)第四節(jié) 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第五節(jié)第五節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的景深光學(xué)系統(tǒng)的景深 第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌光學(xué)系統(tǒng)中的光闌(Stops)因?yàn)槊總€光學(xué)零件都有一定的大小，能夠進(jìn)入系統(tǒng)因?yàn)槊總€光學(xué)零件都有一定的大小，能夠進(jìn)入系統(tǒng)成像的光束總有一定限制的。決定每個光學(xué)零件尺成像的光束總有一定限制的。決定每個光學(xué)零件尺寸的就是系統(tǒng)中成像光束的位置和大小。寸的就是系統(tǒng)中成像光束的位置和大小。光學(xué)系統(tǒng)除了物象共軛，成像放大率要求外，還要光學(xué)系統(tǒng)

2、除了物象共軛，成像放大率要求外，還要有一定成像范圍的要求。有一定成像范圍的要求。因?yàn)橄衿矫嫔弦幸欢ǖ墓饽芎头从澄锩婕?xì)節(jié)的能因?yàn)橄衿矫嫔弦幸欢ǖ墓饽芎头从澄锩婕?xì)節(jié)的能力力( (分辨率，由衍射理論知與孔徑成正比的分辨率，由衍射理論知與孔徑成正比的) )。光闌及其作用光闌及其作用1. 1. 作用作用限制成像光束的孔徑角，成像的范圍，當(dāng)然也就限制了限制成像光束的孔徑角，成像的范圍，當(dāng)然也就限制了進(jìn)光量的多少，像的亮度；就限制了成像的大小了。進(jìn)光量的多少，像的亮度；就限制了成像的大小了。通光孔徑通光孔徑例例：在光學(xué)系統(tǒng)中，裝夾透鏡和其他零件的金屬框：在光學(xué)系統(tǒng)中，裝夾透鏡和其他零件的金屬框 的內(nèi)孔邊

3、緣就是限制光束的光孔。的內(nèi)孔邊緣就是限制光束的光孔。而僅僅靠他們來限制光束不遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要特意設(shè)置而僅僅靠他們來限制光束不遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要特意設(shè)置限制光束的裝置的。限制光束的裝置的。2. 2. 光闌光闌帶孔的金屬薄片。通常形狀是圓的，其中心和光軸帶孔的金屬薄片。通常形狀是圓的，其中心和光軸重合，其平面與光軸垂直。重合，其平面與光軸垂直。光闌光闌光闌的分類光闌的分類1. 1. 孔徑光闌孔徑光闌它是限制軸上物點(diǎn)成像光束立體角的。它是限制軸上物點(diǎn)成像光束立體角的。在有些光學(xué)系統(tǒng)中是有特定要求的。在有些光學(xué)系統(tǒng)中是有特定要求的。它決定軸上點(diǎn)發(fā)出的平面光束的孔徑角。它決定軸上點(diǎn)發(fā)出的平面光束的孔徑

4、角。M1N1光闌光闌A(1) (1) 在目視光學(xué)系統(tǒng)中，光闌或者光闌的像一定要在目視光學(xué)系統(tǒng)中，光闌或者光闌的像一定要 在光學(xué)系統(tǒng)的外邊，使眼睛的瞳孔可以與之重在光學(xué)系統(tǒng)的外邊，使眼睛的瞳孔可以與之重 合，以達(dá)到良好的觀察效果。合，以達(dá)到良好的觀察效果。例例：(2) (2) 在計量光學(xué)系統(tǒng)中，為了達(dá)到精確的測量，在計量光學(xué)系統(tǒng)中，為了達(dá)到精確的測量， 光闌常放在物鏡的焦平面上。形成光闌常放在物鏡的焦平面上。形成“遠(yuǎn)心光路遠(yuǎn)心光路”。 除此以外，光學(xué)系統(tǒng)中的光闌位置是可以任意選擇的，但是，除此以外，光學(xué)系統(tǒng)中的光闌位置是可以任意選擇的，但是，合理的選擇光闌的位置可以改善軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量。合理的選

5、擇光闌的位置可以改善軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量。12M1M2N1N2光闌光闌A當(dāng)光闌位置改變時，應(yīng)相應(yīng)的改變其大小，以保證軸上點(diǎn)當(dāng)光闌位置改變時，應(yīng)相應(yīng)的改變其大小，以保證軸上點(diǎn)光束的孔徑角不變光束的孔徑角不變合理選擇光闌的位置，在保證成像質(zhì)量的前提下，可以使合理選擇光闌的位置，在保證成像質(zhì)量的前提下，可以使整個光學(xué)系統(tǒng)的尺寸減少，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)均稱。整個光學(xué)系統(tǒng)的尺寸減少，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)均稱。12M1M2N1N2光闌光闌A2. 2. 視場光闌視場光闌它是決定物平面上或物空間中成像范圍的光闌。它是決定物平面上或物空間中成像范圍的光闌。以上的兩種光闌是光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)中最重要的光闌，任何系統(tǒng)以上的兩種光闌是光學(xué)系統(tǒng)系

6、統(tǒng)中最重要的光闌，任何系統(tǒng)都有這兩種光闌的都有這兩種光闌的 。3. 3. 消雜光光闌消雜光光闌(3) (3) 該光闌不限制通過光學(xué)系統(tǒng)的成像光束，只限制那些從該光闌不限制通過光學(xué)系統(tǒng)的成像光束，只限制那些從 非成像物體射來的光，非成像物體射來的光，例如：例如：各反射面反射的光，儀器內(nèi)壁各反射面反射的光，儀器內(nèi)壁反射的光等。反射的光等。(1) (1) 雜光雜光(2) (2) 其危害：使像面產(chǎn)生明亮的背景，降低像的襯度其危害：使像面產(chǎn)生明亮的背景，降低像的襯度非成像的光，來自反射面反射的光，儀器內(nèi)壁反射的光等。非成像的光，來自反射面反射的光，儀器內(nèi)壁反射的光等。(4) (4) 當(dāng)然也只是一些重要的

7、光學(xué)系統(tǒng)，專門設(shè)置消雜光光闌當(dāng)然也只是一些重要的光學(xué)系統(tǒng)，專門設(shè)置消雜光光闌 的，且可以有幾個的。的，且可以有幾個的。例如例如：天文望遠(yuǎn)鏡，長焦距平行：天文望遠(yuǎn)鏡，長焦距平行 光管等。光管等。(5) (5) 一般的系統(tǒng)僅僅使用其鏡管內(nèi)壁加工成內(nèi)螺紋，并涂以一般的系統(tǒng)僅僅使用其鏡管內(nèi)壁加工成內(nèi)螺紋，并涂以 黑色無光漆或者煮黑來達(dá)到消雜光的目的。黑色無光漆或者煮黑來達(dá)到消雜光的目的。分劃板分劃板消雜光光闌消雜光光闌物鏡物鏡第一節(jié)第一節(jié) 光闌光闌1 1、孔徑光闌的定義和作用、孔徑光闌的定義和作用一、孔徑光闌一、孔徑光闌 (Aperture Stops) 含義含義1 1：限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角大小

8、的光闌。限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角大小的光闌。限制成像光束和成像范圍限制成像光束和成像范圍 含義含義2 2：孔徑光闌的位置不同，但孔徑光闌的位置不同，但都起到了對軸上物點(diǎn)成都起到了對軸上物點(diǎn)成像光束寬度的限制作用像光束寬度的限制作用；只需相應(yīng)的改變光闌大小，即可保；只需相應(yīng)的改變光闌大小，即可保證軸上物點(diǎn)成像光束的孔徑角不變。證軸上物點(diǎn)成像光束的孔徑角不變。 含義含義3 3：孔徑光闌的位置不同，則對應(yīng)于孔徑光闌的位置不同，則對應(yīng)于選擇軸外物點(diǎn)選擇軸外物點(diǎn)發(fā)出光束的不同部分參與成像發(fā)出光束的不同部分參與成像。 孔徑光闌的定義：孔徑光闌的定義：1 1）限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋唬┫?/p>

9、制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋?；2 2）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。2 2、入射光瞳與出射光瞳、入射光瞳與出射光瞳( (Entrance and Exit pupils) Pupils： The image of the Aperture Stops入射光瞳：入射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）孔徑光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）出射光瞳：出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）照相機(jī)鏡頭中的孔徑光闌照相機(jī)鏡頭中的孔徑光闌F 孔徑光闌孔徑光闌F 孔徑光闌孔徑光闌物像關(guān)系物像關(guān)系后面

10、后面光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)入瞳入瞳出瞳出瞳孔徑光闌孔徑光闌前面前面光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)整整個個光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng) 孔徑光闌、入瞳與出瞳孔徑光闌、入瞳與出瞳1L2LQ1Q2Q)U2Q1QQ2Q1QQAyBAyB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔徑孔徑光闌光闌(U1 1）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。2 2）出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。）出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。3 3）孔徑光闌：實(shí)際起對光束限制作用的元件，決定了）孔徑光闌：實(shí)際起對光束限制作用的元件，決定了 入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。3 3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個

11、問題、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個問題(1)(1) 軸上物點(diǎn)的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會變化。軸上物點(diǎn)的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會變化。 (2)(2)幾個口徑一定的透鏡組合幾個口徑一定的透鏡組合，判斷，判斷確定的軸上物點(diǎn)位置確定的軸上物點(diǎn)位置的孔徑光闌：的孔徑光闌：追跡光線法：追跡光線法：過軸上物點(diǎn)的任一條近軸光線，求其在每過軸上物點(diǎn)的任一條近軸光線，求其在每個折射面的投射高度與實(shí)際口徑的比值，比值最大的折射個折射面的投射高度與實(shí)際口徑的比值，比值最大的折射面的邊框?yàn)橥哥R組的孔徑光闌。面的邊框?yàn)橥哥R組的孔徑光闌。將光學(xué)系統(tǒng)中所有光學(xué)零件的通光孔，分別通過其前面將光學(xué)系統(tǒng)中所有光學(xué)零件的通光孔，分

12、別通過其前面 的光學(xué)零件成像到整個系統(tǒng)的物空間去，入射光瞳必然的光學(xué)零件成像到整個系統(tǒng)的物空間去，入射光瞳必然 是其中對物平面中心的張角為最小的一個。是其中對物平面中心的張角為最小的一個。入射光瞳的特性入射光瞳的特性入射光瞳入射光瞳入射光瞳必定是對入射光瞳必定是對物物面中心的張角最小的一個面中心的張角最小的一個1L2L孔徑光闌孔徑光闌2LA-U出射光瞳的特性出射光瞳的特性出射光瞳出射光瞳出射光瞳必定是對出射光瞳必定是對像像面中心的張角最小的一個面中心的張角最小的一個A1L2L孔徑光闌孔徑光闌1LU將光學(xué)系統(tǒng)中所有光學(xué)零件的通光孔，分別通過其后面的將光學(xué)系統(tǒng)中所有光學(xué)零件的通光孔，分別通過其后面

13、的光學(xué)零件成像到整個系統(tǒng)的像空間去，則出射光瞳必然是光學(xué)零件成像到整個系統(tǒng)的像空間去，則出射光瞳必然是其中對像平面中心的張角為最小的一個。其中對像平面中心的張角為最小的一個。 成像張角比較法：成像張角比較法： 1L2LQ1Q2Q)U2Q2L1QQAa. a. 將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（各個透鏡和光圈等），對其前面將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（各個透鏡和光圈等），對其前面 的光學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；的光學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；b. b. 由物位置（軸上點(diǎn)）向各像邊緣、第一個透鏡邊緣分別由物位置（軸上點(diǎn)）向各像邊緣、第一個透鏡邊緣分別 作連線，求張角最小值即為入瞳，相應(yīng)的共軛物為

14、孔徑作連線，求張角最小值即為入瞳，相應(yīng)的共軛物為孔徑 光闌；光闌；c. c. 孔徑光闌對后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。孔徑光闌對后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。A A例例1：已知物點(diǎn)：已知物點(diǎn)A離透鏡離透鏡1的距離為的距離為-l1=30mm，透鏡，透鏡1的通光口的通光口徑徑D1=30mm,光孔光孔2的直徑的直徑D2=22mm，像點(diǎn)，像點(diǎn)A離透鏡的距離離透鏡的距離l1 =60mm，透鏡與光孔之間距離為，透鏡與光孔之間距離為d=10mm，試確定這個系，試確定這個系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。ABAB12解解：判斷孔徑光闌：判斷孔徑光闌：軸上物點(diǎn)的成像張角比較法

15、軸上物點(diǎn)的成像張角比較法1）透鏡）透鏡1框內(nèi)孔相對于前面光學(xué)系統(tǒng)的像與自身重合?？騼?nèi)孔相對于前面光學(xué)系統(tǒng)的像與自身重合。2）光孔）光孔2相對于前面透鏡成像：相對于前面透鏡成像：11222222260,3020;10,202044llfldfllDDDmml 透鏡焦距：光孔關(guān)于透鏡的像：，；像的大?。?11llf2ABAB12111221223026.5652 ( 30)2()4423.7492 (3020)DUarctglarctgDUarctgllarctg 3）D1，D2對軸上物點(diǎn)對軸上物點(diǎn)A的張角：的張角： D2的張角最小，最能限制的張角最小，最能限制軸上物點(diǎn)軸上物點(diǎn)A的成像光束，的成像

16、光束，為入瞳，即光孔為入瞳，即光孔2為孔徑光闌，為孔徑光闌，U2為物方孔徑角。為物方孔徑角。 光孔光孔2后面無透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，后面無透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，U2為像方為像方孔徑角。孔徑角。1)U2)U22(U(3) (3) 孔徑光闌位置的安放原則：孔徑光闌位置的安放原則：a. a. 目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接（光瞳銜接原則）（光瞳銜接原則）；b. b. 投影計量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化；投影計量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化；c. c. 對軸外光束像差校正；對軸外光束像差校正；d.d. 各光學(xué)元件的口徑匹配。各光學(xué)元件的口

17、徑匹配。 理想光學(xué)系統(tǒng)：主光線必然通過入瞳及出瞳的中心理想光學(xué)系統(tǒng)：主光線必然通過入瞳及出瞳的中心。4、主光線（、主光線（Chief ray）：）：1L2LQ1Q2Q2Q1QQ2Q1QQABACB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔徑光闌孔徑光闌定義：定義：離軸物點(diǎn)離軸物點(diǎn)發(fā)出的、通過孔徑光闌中心的光線。發(fā)出的、通過孔徑光闌中心的光線。 主光線是主光線是通過孔徑光闌通過孔徑光闌、并、并參與成像的物光束參與成像的物光束的的中心光線中心光線。二、視場光闌二、視場光闌 (Field Stops) 1 1、視場光闌、視場光闌: :定義：定義：在物在物/ /像面上安放的、限定光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌。像面上安放的、限定光

18、學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌。物方視場：能夠清晰成像的物面范圍；物方視場：能夠清晰成像的物面范圍； 像方視場：相應(yīng)的能夠清晰成像的像面范圍；像方視場：相應(yīng)的能夠清晰成像的像面范圍； 2 2、入射窗與出射窗、入射窗與出射窗入射窗：入射窗：視場光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）視場光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）出射窗：出射窗：視場光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）視場光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）3 3、視場光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。、視場光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。視場光闌視場光闌 限制物平面或物空間范圍的光闌稱限制物平面或物空間范圍的光闌稱視場光闌視場光闌

19、。 Q Q1 1Q Q2 2是是視場光闌視場光闌。QQ1 1QQ2 2為入射窗為入射窗; ;Q Q1 1Q Q2 2本身也為出本身也為出射窗射窗。通常設(shè)置在系統(tǒng)通常設(shè)置在系統(tǒng)的實(shí)像平面或物的實(shí)像平面或物平面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B BA AQ Q1 1Q Q2 2P P1 1P P2 2PP2 2PP1 1PP1 1PP2 2O O1 1PPP PPPO O2 2- -U UUU視場光闌視場光闌( (出射窗出射窗) )入射窗入射窗Q1Q1Q2Q2孔孔徑徑光光闌闌出出射射光光瞳瞳入入射射光光瞳瞳AB視場光闌視場光闌入射窗入射窗出射窗出射窗C1L2L 可見僅僅可見僅僅

20、B B點(diǎn)以內(nèi)的物點(diǎn)可以被系統(tǒng)成像。點(diǎn)以內(nèi)的物點(diǎn)可以被系統(tǒng)成像。B B點(diǎn)與入射光瞳中心的連線與光軸的夾角最小。點(diǎn)與入射光瞳中心的連線與光軸的夾角最小。入射窗入射窗對對入射光瞳入射光瞳中心的張角為中心的張角為最小最小的的出射窗出射窗對對出射光瞳出射光瞳中心的張角為中心的張角為最小最小的的視場角視場角孔徑光闌為無限小時，物面范圍由入窗邊緣與入瞳孔徑光闌為無限小時，物面范圍由入窗邊緣與入瞳中心連線決定。中心連線決定。(2)(2)計算這些像的邊緣對入瞳中心的張角大小。張角最小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(yīng)的光學(xué)零件者即為入射窗，入射窗對應(yīng)的光學(xué)零件2入射窗邊緣對入

21、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(diǎn)。視場光闌經(jīng)后面光學(xué)零件所成的也決定了視場邊緣點(diǎn)。視場光闌經(jīng)后面光學(xué)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像即為出射窗，出射窗對出瞳中心的張角即為像方視場角角 。2確定視場光闌的方法：確定視場光闌的方法： (1)(1)把孔徑光闌以外的所有光孔經(jīng)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到把孔徑光闌以外的所有光孔經(jīng)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到物空間，確定入瞳中心位置物空間，確定入瞳中心位置 ( (實(shí)際上在確定孔徑光闌時實(shí)際上在確定孔徑光闌時這一步驟已完成這一步驟已完成) )。 BABO2O1O2PPAP入射窗入射窗

22、出射光瞳出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌入射光瞳入射光瞳孔徑光闌為無限小時，物面范圍由入窗邊緣與入瞳孔徑光闌為無限小時，物面范圍由入窗邊緣與入瞳中心連線決定。中心連線決定。: :物方線視場為物高的兩倍，以物方線視場為物高的兩倍，以2y2y表示。像方表示。像方線視場為像高的兩倍，以線視場為像高的兩倍，以2y2y表示。表示。減小孔徑光闌并不會對視場產(chǎn)生影響減小孔徑光闌并不會對視場產(chǎn)生影響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。例：有一個由三個光學(xué)零

23、件組成的光組，透鏡例：有一個由三個光學(xué)零件組成的光組，透鏡O1,其口徑其口徑D14mmf1=36mm，透鏡，透鏡O2，其，其口徑口徑 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(shè)有一光孔處設(shè)有一光孔D310mm，物點(diǎn)離透鏡，物點(diǎn)離透鏡Ol為為-45mm1）求）求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置?2)求視場光求視場光闌和入窗出窗的大小和位置？闌和入窗出窗的大小和位置？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm解：光孔解：光孔D3經(jīng)經(jīng)O1成像成像mmflfll45361803618

24、013133在在O1左方與物點(diǎn)重合左方與物點(diǎn)重合mmDllD5 . 210180453333AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm透鏡透鏡O2經(jīng)經(jīng)O1成像成像 mmflfll15.44361953619512122mmDllD72. 21219515.442222AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mmAO1O2D3180195F245D1=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

25、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=12mm（2）求視場光闌、入窗、出窗）求視場光闌、入窗、出窗 03110154427522027804527522222333././././lDtglDtg 故光孔故光孔O3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(yuǎn)，出窗在無窮遠(yuǎn) 32第二節(jié)第二節(jié) 照

26、相系統(tǒng)中的光闌照相系統(tǒng)中的光闌 一、照相機(jī)的三個組成部分一、照相機(jī)的三個組成部分 鏡頭、可變光闌（孔徑光闌）、感光底片鏡頭、可變光闌（孔徑光闌）、感光底片/ /暗盒（視場光闌）暗盒（視場光闌）一、照相系統(tǒng)由三部分組成一、照相系統(tǒng)由三部分組成鏡頭：將外界景物成像在底片上。鏡頭：將外界景物成像在底片上。 光闌：調(diào)節(jié)成像光束寬度從而調(diào)節(jié)光能量。光闌：調(diào)節(jié)成像光束寬度從而調(diào)節(jié)光能量。 底片架框：確定景物的成像范圍。底片架框：確定景物的成像范圍。照相機(jī)和光闌的作用照相機(jī)和光闌的作用f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64 軸上物點(diǎn)：軸上物點(diǎn)：孔徑光

27、闌在不同孔徑光闌在不同 位置，對成像光束寬度的限位置，對成像光束寬度的限 制作用相同：都是光束的中制作用相同：都是光束的中 間部分參與成像。間部分參與成像。軸外物點(diǎn)：軸外物點(diǎn)：孔徑光闌孔徑光闌在在 不同位置，參與成像光不同位置，參與成像光 束的空間位置不同，成束的空間位置不同，成 像質(zhì)量不同。像質(zhì)量不同。軸外光束決定軸外光束決定 孔徑光闌的位置孔徑光闌的位置假設(shè)：透鏡口徑足夠大假設(shè)：透鏡口徑足夠大 M N MNA A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

28、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1、漸暈現(xiàn)象：、漸暈現(xiàn)象：像平面的像平面的邊緣邊緣比中間暗比中間暗（離軸物點(diǎn)）（離軸物點(diǎn)）。二、漸暈光闌二、漸暈光闌 （Vignetting stop） 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(diǎn)充滿孔徑光闌的光束被部分地攔截，稱為軸外物點(diǎn)充滿孔徑光闌的光束被部分地攔截，稱為“漸暈漸暈”。，漸暈光闌多為，漸暈光闌多為透鏡框。漸暈光闌的作用是參與限制軸外點(diǎn)成像光束。透鏡框。漸暈光

29、闌的作用是參與限制軸外點(diǎn)成像光束。漸暈光闌漸暈光闌DDDDK 三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié)三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié)3 3、感光底片邊框，即視場光闌；、感光底片邊框，即視場光闌；1 1、根據(jù)軸外光束的像質(zhì)選擇孔徑光闌位置；、根據(jù)軸外光束的像質(zhì)選擇孔徑光闌位置；2 2、軸外點(diǎn)成像光束寬度取決于孔徑光闌、漸暈光闌均有關(guān)；、軸外點(diǎn)成像光束寬度取決于孔徑光闌、漸暈光闌均有關(guān)；4 4、孔徑光闌一般為圓形，視場光闌為圓形或者矩形。、孔徑光闌一般為圓形，視場光闌為圓形或者矩形。孔徑光闌在物鏡中的位置孔徑光闌在物鏡中的位置 第三節(jié)第三節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇 一、雙目望遠(yuǎn)鏡的組成一、雙目

30、望遠(yuǎn)鏡的組成 1 1、構(gòu)成、構(gòu)成轉(zhuǎn)像轉(zhuǎn)像物鏡、目鏡的物鏡、目鏡的共同焦面上共同焦面上2、光學(xué)參數(shù)、光學(xué)參數(shù)6o28 30視覺放大率視覺放大率： 視場角：視場角： 108mmf物18mmf 目物鏡焦距：物鏡焦距： 目鏡焦距：目鏡焦距： 5mmD 出瞳直徑：出瞳直徑： 11mmzl 出瞳距離：出瞳距離： 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖DDf 物f目與人眼聯(lián)用與人眼聯(lián)用,滿足滿足光瞳銜接原則光瞳銜接原則目視光學(xué)系統(tǒng)的目視光學(xué)系統(tǒng)的視角放大率：視角放大率： 遠(yuǎn)處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對眼睛張角遠(yuǎn)處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對眼睛張角 的正切，與該的正切，與該物體直接對眼睛張角物體直接對眼睛張角 的正切之比。的正

31、切之比。tantan *概念區(qū)別：角放大率概念區(qū)別：角放大率12tantanff 復(fù)習(xí)：第二章復(fù)習(xí)：第二章3、分劃板、分劃板 視場光闌視場光闌分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：入射窗、出射窗均在無窮遠(yuǎn)處，入射窗、出射窗均在無窮遠(yuǎn)處，分別與物、像面重合。分別與物、像面重合。tantanff 物目ffDDff物物目目DD 30mmDD 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖DDf 物f目出出瞳瞳入入瞳瞳hz物hz目hz分1）物鏡的左側(cè)）物鏡的左側(cè)10mm；2）物鏡上；）物鏡上；3）物鏡右側(cè)）物鏡右側(cè)10 mm 。2 2、孔徑光闌的位置：、孔徑光闌的位置：二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中

32、的光束限制二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光束限制 1 1、光瞳銜接原則：、光瞳銜接原則： 前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合。前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合。 追跡主光線追跡主光線 的投射高度的投射高度望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光闌位置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光闌位置hz物hz目hz分1 1）光闌在物鏡的左側(cè)）光闌在物鏡的左側(cè)10mm10mm（=4.25=4.25）：）：oooootg(4.25 )10mm tg(4.25 )0.75mmtg(4.25 )8mm0.75tgtg(4.25 )tg(4.25 )108tg()tg9.25mmtg20.zzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhd UhffUhhtgUtgUUffl

33、htgU 物分物物物物目目物物物物物目目目目物目目目目；5mm. tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計算法正切計算法tanyfooooootg(4.25 )0tg(4.25 )0tg(4.25 )8mmtgtg(4.25 )tg(4.25 )tg0()tg(4.25 )9.36mmtg21mmzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhdUffhhtgUtgUUfflhtgU 物分物物物物目目物物物目目目目物目目目目；2）光闌在物鏡上：）光闌在物鏡上： tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計算法正切計算法3 3）光闌在物鏡右側(cè)）光闌在物鏡右側(cè)1

34、0mm10mm： ooztg(4.25 )11 tg(4.25 )0.82mmzhl物8mmzh分9.51mmzh目21.3mmzlz11111mm10108zll111zllf物tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計算法正切計算法三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)1 1、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則；、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則；2 2、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于6mm6mm；4 4、分劃板就是視場光闌。、分劃板就是視場光闌。3 3、孔徑光闌大致在物鏡左右；、孔徑光闌大致

35、在物鏡左右； 4 4、光闌位置對軸外光束位置的選擇、光闌位置對軸外光束位置的選擇(1)(1)(2)(3)(3)(2) 第四節(jié)第四節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析 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 1、顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成二、遠(yuǎn)心光路二、遠(yuǎn)心光路 1、孔徑光闌在物鏡上、孔徑光闌在物鏡上(a) (a) 測距原理：測距原理：(b) (b) 調(diào)焦不準(zhǔn)：調(diào)焦不準(zhǔn)：2) 2) 由于調(diào)焦不精確，引由于調(diào)焦不精確，引 起像平面和標(biāo)尺平面起像平面和標(biāo)尺平面 不重合，從而導(dǎo)致測不重合，從而導(dǎo)致測 量誤差。量誤差。1) 1) 入瞳與物鏡邊框重合；入

36、瞳與物鏡邊框重合；2、孔徑光闌在物鏡、孔徑光闌在物鏡 的像方焦平面上的像方焦平面上1) 入瞳位于物方無窮遠(yuǎn)。入瞳位于物方無窮遠(yuǎn)。2) A和和A1、B和和B1的主的主光線分別重合，且光線分別重合，且軸外點(diǎn)的主光線平軸外點(diǎn)的主光線平行于主軸。行于主軸。3) 主光線是物點(diǎn)成像主光線是物點(diǎn)成像光束的中心軸，則光束的中心軸，則物點(diǎn)物點(diǎn)A1 B1在刻尺平在刻尺平面構(gòu)成的兩個彌散面構(gòu)成的兩個彌散斑的斑的中心間隔中心間隔始終始終不變。不變。 物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路 (a) 測距原理：測距原理：(b) 調(diào)焦不準(zhǔn)：調(diào)焦不準(zhǔn)：2022-5-1966CCD偏左偏左CCD偏右偏右沒有遠(yuǎn)心鏡頭沒有遠(yuǎn)心鏡頭加上遠(yuǎn)心鏡頭加

37、上遠(yuǎn)心鏡頭三、場鏡的應(yīng)用三、場鏡的應(yīng)用 缺點(diǎn)：出射缺點(diǎn)：出射主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的口徑主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的口徑 必須非常大。必須非常大。 -1-1透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)：加長光路。透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)：加長光路。1 1、長光路顯微鏡系統(tǒng)、長光路顯微鏡系統(tǒng) 2、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法-1-1轉(zhuǎn)像系統(tǒng)轉(zhuǎn)像系統(tǒng) 場鏡：場鏡：與像平面重合、或者很靠近像平面的透鏡。與像平面重合、或者很靠近像平面的透鏡。 效果：效果：主光線經(jīng)場鏡后通過主光線經(jīng)場鏡后通過-1-1轉(zhuǎn)像透鏡中心，轉(zhuǎn)像透鏡中心， 從而對后面系統(tǒng)的口徑要求最小。從而對后面系統(tǒng)的口徑要求最

38、小。 場鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用。場鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用。 實(shí)際設(shè)計：實(shí)際設(shè)計： 在在-1-1轉(zhuǎn)像透鏡前、物鏡的實(shí)像面處加場鏡。轉(zhuǎn)像透鏡前、物鏡的實(shí)像面處加場鏡。2022-5-1969BABAABBA前組前組后組后組(a)AB后組后組前組前組場鏡場鏡這種和像平面重合，或很靠近像平面的透鏡稱為這種和像平面重合，或很靠近像平面的透鏡稱為場鏡場鏡。場鏡的應(yīng)用場鏡的應(yīng)用四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；4、長光路顯微鏡系統(tǒng)：、長光路顯微鏡系統(tǒng)： 利用場鏡達(dá)到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，利用場鏡達(dá)到前

39、后系統(tǒng)的光瞳銜接， 減小光學(xué)零件尺寸。減小光學(xué)零件尺寸。2、一次實(shí)像面處安放視場光闌；、一次實(shí)像面處安放視場光闌；3、測長顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上、測長顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上 物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路第五節(jié)第五節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的景深光學(xué)系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果同一位置不同景深的效果一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像1、平面上的空間像：、平面上的空間像：空間點(diǎn)成像于一個像平面上?？臻g點(diǎn)成像于一個像平面上。對準(zhǔn)平面對準(zhǔn)平面景像平面景像平面共軛共軛 以以入瞳中心入瞳中心為投影中心，以各空間點(diǎn)的為投影中心，以各空間點(diǎn)的主光線主光線為投為投影方向，向影方向，向?qū)?zhǔn)平面對準(zhǔn)

40、平面投影，對應(yīng)投影點(diǎn)在景象平面上的投影，對應(yīng)投影點(diǎn)在景象平面上的共軛點(diǎn)共軛點(diǎn)即為空間點(diǎn)的平面像。即為空間點(diǎn)的平面像。 平面上的空間像的獲得：平面上的空間像的獲得： 對準(zhǔn)平面外的空間點(diǎn)，在景象平面產(chǎn)生一個彌散斑。對準(zhǔn)平面外的空間點(diǎn)，在景象平面產(chǎn)生一個彌散斑。彌散斑的直徑與彌散斑的直徑與入瞳直徑入瞳直徑、與景象平面的距離與景象平面的距離有關(guān)。有關(guān)。 或：在像空間以或：在像空間以出瞳中心出瞳中心為投影中心，仍以各空間點(diǎn)的為投影中心，仍以各空間點(diǎn)的主光線為投影方向，各空間像點(diǎn)向主光線為投影方向，各空間像點(diǎn)向景象平面景象平面投影，可得投影，可得空間點(diǎn)的平面像。空間點(diǎn)的平面像。2、透視失真、透視失真 投影

41、中心前后移動，所得投影像與景物不成比例。投影中心前后移動，所得投影像與景物不成比例。 3、景像畸變、景像畸變 錐狀光束在景像平面上的投影隨光束軸線的傾角不同錐狀光束在景像平面上的投影隨光束軸線的傾角不同而變化而變化,導(dǎo)致景象與景物不成比例的現(xiàn)象導(dǎo)致景象與景物不成比例的現(xiàn)象.球狀物體對應(yīng)的所有主線形成球狀物體對應(yīng)的所有主線形成錐狀光束錐狀光束,其共軛光束亦為其共軛光束亦為錐狀光錐狀光束束.顯然顯然,不同軸線傾角不同軸線傾角的錐狀光束在的錐狀光束在景像平面上投影景像平面上投影(或截面或截面) 不同不同.由由光軸至邊緣光軸至邊緣,投影由圓形變成橢圓形投影由圓形變成橢圓形,且且橢偏度逐漸增大橢偏度逐漸

42、增大.pp1p1p2p2p 二、光學(xué)系統(tǒng)的景深二、光學(xué)系統(tǒng)的景深 成像空間的景深：成像空間的景深： 在景象平面上所獲得的成清晰像的在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度物空間深度。 遠(yuǎn)景遠(yuǎn)景平面平面近景平面近景平面12 入瞳中心：入瞳中心：物空間參數(shù)物空間參數(shù)的起算原點(diǎn)的起算原點(diǎn) 出瞳中心：出瞳中心：像空間像空間參數(shù)參數(shù)的起算原點(diǎn)的起算原點(diǎn)對準(zhǔn)對準(zhǔn)平面的彌散斑直徑：平面的彌散斑直徑：12z z11zz 22zz 景像景像平面的彌散斑直徑：平面的彌散斑直徑：1112pppaz2222pppaz由相似三角形得：由相似三角形得：1112pppaz2222pppaz1112ppzap 2222ppzap 1212, ,z za p p p 12,z z是否可以看做一個幾何點(diǎn)，取決于其對觀測元件的張角！兩個因素：觀測距離、極限分辨角兩個因素：觀測距離、極限分辨角 正確透視距離：正確透視距離：觀察距離滿足照片上各點(diǎn)對人眼睛的張觀察距離滿足照片上各點(diǎn)對人眼睛的張角，與直接觀察空間時各對應(yīng)點(diǎn)對眼睛的張角相等。角，與直接觀察空間時各對應(yīng)點(diǎn)對眼睛的張角相等。眼睛眼睛ppuD