光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制

光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日第三章光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制由于成像理論的完善，構(gòu)成了許多在科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟中得到廣泛應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)，本章主要介紹攝像系統(tǒng)和望遠(yuǎn)系統(tǒng)。實際光學(xué)系統(tǒng)和理想光學(xué)系統(tǒng)不同，必須限制參與成像的光束寬度和成像范圍以保證成像質(zhì)量。其限制來自光學(xué)零件尺寸大小。光學(xué)系統(tǒng)不同，參與成像的光束位置和寬度要求不同。1.照相系統(tǒng)和光束限制2.光學(xué)系統(tǒng)的景深3.望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)及光束的選擇4.顯微鏡系統(tǒng)中光束的限制與選擇第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日單鏡頭反光照相機（SLR)3.1照相系統(tǒng)

第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日一、攝影系統(tǒng)的組成

由攝影物鏡和感光元件組成。二、攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性參數(shù)

焦距f’，相對孔徑D/f’，視場角2ω，景深。焦距決定成像的大??；相對孔徑?jīng)Q定像面照度；視場決定成像范圍。1.視場影響因素：焦距，接收器尺寸像的大小與焦距的關(guān)系：第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日照像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)照相系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖由照相鏡頭、可變光闌和感光底片組成第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日在拍攝遠(yuǎn)處物體時，像的大小為：在拍攝近處物體時，像的大小為：普通照相機標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距為50mm鏡頭的焦距與像的大小1.像的大小第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日增大像距放大圖像在鏡頭與相機之間加接圈增加像距第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.視場影響因素：焦距，接收器尺寸當(dāng)接收器的尺寸一定時，物鏡的焦距越短，則其視場角越大，焦距越長，視場角越小。3.分辨率影響因素：物鏡的分辨率和接收器的分辨率分辨率的度量以像平面上每毫米內(nèi)能分辨開的線對數(shù)Cy/mm表示。經(jīng)驗公式：理論分辨率：光圈數(shù)：物方最大視場角物鏡分辨率接收器分辨率第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日視場和焦距的關(guān)系第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日三、照像系統(tǒng)的光束限制光闌：限制成像光束的光孔或限制成像范圍的光孔或框，分為視場光闌和孔徑光闌?？讖焦怅@：限制進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的成像光束的光孔口徑的光闌。視場光闌：限制成像范圍的光闌。

不同的光學(xué)系統(tǒng)，由于對成像要求不同，其對光束的約束也不同，光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的位置會不同。

第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日孔徑光闌的位置對光束的選擇孔徑光闌對軸上點光束的限制孔徑光闌的位置對軸上點光束寬度成像無限制第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日孔徑光闌的位置對光束的選擇孔徑光闌對軸外點光束的限制孔徑光闌位置對軸外點的光束寬度的成像產(chǎn)生較大影響MM’NN’MN第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日

漸暈、漸暈光闌及漸暈系數(shù)透鏡的邊框起到“攔光”的作用即漸暈光闌漸暈系數(shù)：第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日入瞳和出瞳孔徑光闌經(jīng)其前面的透鏡或透鏡組在光學(xué)系統(tǒng)物空間成的像稱為入瞳，它是入射光束的入口孔徑光闌經(jīng)其后面的透鏡或透鏡組在光學(xué)系統(tǒng)物空間成的像稱為出瞳，它是出射光束的出口入瞳和出瞳第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日視場光闌及入射窗、出射窗視場光闌經(jīng)其前面的光組在物空間所成的像，稱為光學(xué)系統(tǒng)的入射窗視場光闌經(jīng)其后面的光組在物空間所成的像，稱為光學(xué)系統(tǒng)的出射窗。第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日孔徑光闌在組合透鏡中的位置第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日四、光學(xué)系統(tǒng)的景深一、空間的物點成像第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.光瞳和視場對成像的影響第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、光學(xué)系統(tǒng)的景深3.正確透視條件第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日4.光學(xué)系統(tǒng)的景深1.概念：

景深Δ：成像清晰的空間深度

遠(yuǎn)景深度：遠(yuǎn)景平面距對準(zhǔn)平面的距離

近景深度：近景平面距對準(zhǔn)平面的距離2.景深公式：由第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日由相似三角形關(guān)系得：由此得：由：第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日景深和焦距及孔徑光闌的關(guān)系景深和焦距以及入瞳直徑有關(guān)系拍攝距離和光圈數(shù)影響景深孔徑光闌越小景深越大第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.像面照度物體在無限遠(yuǎn)時，β＝0，則：對大視場物鏡有：第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日調(diào)節(jié)曝光量，改變成像質(zhì)量第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、孔徑光闌孔徑的調(diào)節(jié)第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日三、攝影物鏡的類型1.像差校正要求：大視場，大相對孔徑需要校正軸外點和軸上點像差2.基本類型介紹普通攝影物鏡，大相對孔徑攝影物鏡廣角攝影物鏡；遠(yuǎn)攝物鏡變焦距物鏡變焦比：焦距為：第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日天塞物鏡雙高斯物鏡廣角物鏡遠(yuǎn)攝物鏡變焦物鏡第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日四、照相光學(xué)系統(tǒng)小結(jié)照相光學(xué)系統(tǒng)中根據(jù)軸外光束的像質(zhì)來選擇孔徑光闌的位置，大致位置在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僅由孔徑光闌的口徑確定，而且還和漸暈光闌的口徑有關(guān)。在照相光學(xué)系統(tǒng)中，感光底片的框子就是視場光闌?？讖焦怅@的形狀一般為圓形，而視場光闌的形狀為圓形或矩形等。第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.2望遠(yuǎn)系統(tǒng)一、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日一、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)光學(xué)數(shù)據(jù)視角放大率:Γ視場角:2ω出瞳直徑:D’出瞳距離lz’物鏡焦距:f’物目鏡焦距:f’目第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)1.視覺放大率望遠(yuǎn)鏡的視角放大率與物體的位置無關(guān)，僅取決于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，欲增大視角放大率，必須增大物鏡的焦距或減少目鏡的焦距，但目鏡的焦距不小于6mm，使得望遠(yuǎn)系統(tǒng)保持一定的出瞳距。第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率：按瑞利判斷：按道威判斷：即入射光瞳直徑D越大，極限分辨率越高視覺放大率和分辨率的關(guān)系有效放大率：滿足分辨要求的最小視覺放大率工作放大率：分辨角Φ

2.望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率艾里斑半徑第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日1.開普勒望遠(yuǎn)鏡：物鏡框是孔徑光闌、分劃板是視場光闌、出瞳、入瞳、目鏡框是漸暈光闌物方視場角ω為：視場角2ω一般不超過15°2.伽利略望遠(yuǎn)鏡瞳孔為孔徑光闌，物鏡框為視場光闌漸暈①當(dāng)視場為50％漸暈（K=50%）時，其視場角

最大視場（漸暈系數(shù)K＝0）視覺放大率視場3.望遠(yuǎn)鏡的視場第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日開普勒望遠(yuǎn)鏡伽利略望遠(yuǎn)鏡2.其它形式的望遠(yuǎn)系統(tǒng)

第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日三、望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的光束限制光瞳銜接原則：前面系統(tǒng)的出瞳和后面系統(tǒng)的入瞳重合?？讖焦怅@在不同位置處的計算

1)物鏡左側(cè)10mm2)物鏡上

3)物鏡右側(cè)10mm孔徑光闌處于不同位置時光束的成像第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日三、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)小結(jié)兩個光學(xué)系統(tǒng)連用時，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌大致在物鏡左右可放分劃板的望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，分劃板框是望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視場光闌。第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.3顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析一、簡單顯微鏡系統(tǒng)的光束限制遠(yuǎn)心光路二、場鏡的應(yīng)用場鏡場鏡的作用：壓低光線，減小后續(xù)光闌光瞳直徑第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日第四十頁，共四十五頁，2022年，8月28日三、顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)小結(jié)一般顯微鏡系統(tǒng)中，孔徑光闌置于顯微鏡上，一次實像面處安置系統(tǒng)的視場光闌。顯微系統(tǒng)用于測長等目的時，為了消除測量誤差，孔徑光闌安放在顯微物鏡的像方焦面處，稱為“物方遠(yuǎn)心光路”在長光路系統(tǒng)中，往往利用場鏡達(dá)到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，以減小光學(xué)零件的口徑。第四十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、光學(xué)系統(tǒng)的景深4.例題設(shè)入射光瞳直徑為當(dāng)把對準(zhǔn)平面調(diào)焦在無窮遠(yuǎn)處時，求近景位置，若使遠(yuǎn)景平面無限遠(yuǎn)，求對準(zhǔn)平面和近景位置。若使求遠(yuǎn)景和近景的深度和位置。第四十二頁，共四十五頁，2022年，8月2