工光05光學(xué)系統(tǒng)的光束限制.ppt

1、第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，2，本章的內(nèi)容，2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，3，設(shè)計(jì)時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)以所需的孔徑角在所需的成像范圍內(nèi)對(duì)物點(diǎn)成像。D和2u較大，具有更高的傳輸能量、高分辨率和2y，以及更大的成像范圍。理論上，它希望更大，但它會(huì)導(dǎo)致像差，這將使圖像質(zhì)量差。因此，有必要給予適當(dāng)?shù)南拗?。透鏡的尺寸限制了從點(diǎn)A發(fā)射的光束的孔徑角，底片的尺寸限制了成像范圍，所有這些都是對(duì)光束的限制，稱為光闌，2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，稱為光闌，通常垂直于光軸放置，其中心與光軸中心重合。2.振膜形狀：振膜形狀包括圓形、方形和矩

2、形，有些振膜的尺寸可以調(diào)節(jié)。3。光圈功能：光圈用于限制成像光束的大小。2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，5，4。光圈的分類，1?？讖娇讖皆诠鈱W(xué)系統(tǒng)中用來限制成像光束大小的孔徑稱為孔徑。描述成像光束大小的參數(shù)孔徑。近距離物體成像的孔徑角限制了軸上點(diǎn)成像光束中邊緣光線的最大傾角(孔徑角)。遠(yuǎn)處物體的成像孔徑高度限制了平行入射成像光束的最大高度?？讖焦怅@的位置隨系統(tǒng)而變化，并且有特定的要求，例如視覺光學(xué)系統(tǒng)，孔徑或孔徑的實(shí)像必須在外面，并且眼睛可以與它重疊以接收所有的成像光束；遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，焦平面孔徑。可以選擇其他選項(xiàng)來提高成像質(zhì)量。2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，6、

3、2。在視場(chǎng)光闌光學(xué)系統(tǒng)中，用來限制成像范圍的光闌稱為視場(chǎng)光闌。描述成像范圍大小的參數(shù)視場(chǎng)。限制物體平面或物體空間成像的范圍。短距離物體的成像場(chǎng)的角場(chǎng)光闌的位置通常設(shè)置在實(shí)像平面或中間實(shí)像平面上。有時(shí)它也排列在物體表面。2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，7、3。斜光闌的目的是減小離軸像差，使物方空間離軸點(diǎn)發(fā)射的成像光束只能部分通過孔徑光闌和場(chǎng)光闌，稱為漸暈光闌。漸暈光闌的設(shè)置使離軸物點(diǎn)通過系統(tǒng)的光束小于軸上物點(diǎn)的光束。其主要目的是提高離軸點(diǎn)的成像質(zhì)量或減小某些光學(xué)元件的橫向尺寸。4.抗雜波光闌用于限制一些非成像光線的光闌稱為抗雜波光闌。只有從視場(chǎng)外部進(jìn)入系統(tǒng)的光能和由光學(xué)表面、金屬

4、表面和透鏡鏡筒內(nèi)壁的反射和散射產(chǎn)生的雜散光被部分限制。對(duì)于大型光學(xué)儀器，必須設(shè)置專門的抗雜散光光闌，鏡筒內(nèi)部應(yīng)擰成螺紋并涂黑或發(fā)黑，以減少雜散光的影響。2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，8，什么是孔徑光闌取決于當(dāng)時(shí)的條件。當(dāng)物體的位置改變時(shí)，孔徑光闌可能改變。當(dāng)物體的位置固定時(shí)，存在限制成像光束的寬(角度)孔徑光闌的孔徑，并且光學(xué)系統(tǒng)具有幾個(gè)透明孔。限制成像光束最大光束的孔徑光闌是什么？小齒輪1:第一個(gè)孔是孔徑光闌。小齒輪2:較小的孔徑是孔徑光闌，5.2孔徑光闌，2020/7/31，第5章：光學(xué)系統(tǒng)的光束限制。所有孔徑應(yīng)位于同一空間。判斷孔徑光闌的步驟如下：(1)首先獲得系統(tǒng)物方

5、所有孔徑光闌的共軛“像”(位置和大小)。也就是說，從右到左，每個(gè)光闌由左光學(xué)系統(tǒng)成像，并且獲得物體空間中所有光闌的共軛“圖像”。(2)確定物體側(cè)這些共軛圖像的光束孔徑角(當(dāng)物體在無窮遠(yuǎn)處時(shí)，確定允許的光束高度)，即計(jì)算openi(3)通過比較得到對(duì)應(yīng)于最小孔徑角(物體在無窮遠(yuǎn)處時(shí)的最小孔徑高度)的光闌，該裝置為孔徑光闌。2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，10，2020/7/31，11，2020/7/31，12，2020/7光學(xué)系統(tǒng)像空間中孔徑光闌的共軛像稱為出瞳，簡(jiǎn)稱為出瞳；孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳是共軛的，它們對(duì)成像光束的限制作用是等效的。2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的

6、光束限制，14，入射光瞳，孔徑，出射光瞳，孔徑前的光學(xué)系統(tǒng)，共軛，孔徑后的光學(xué)系統(tǒng)，共軛，入射光瞳，出射光瞳，物體孔徑角，圖像孔徑角，入射光瞳和出射光瞳穿過入射光瞳邊緣的光必須穿過孔徑邊緣并穿過出射光瞳邊緣。對(duì)象孔徑角2U，圖像孔徑角2U，2U最小，2U將最小。入射光瞳是物體表面上所有點(diǎn)發(fā)出的光束的共同入口；出射光瞳是從物體表面上的每個(gè)點(diǎn)發(fā)射的光束在穿過整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)并從最后一個(gè)光孔出射之后的公共出射。2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，16，孔徑光闌或入瞳或出瞳的位置在某些光學(xué)系統(tǒng)中有特殊要求。例如，在諸如顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的視覺光學(xué)系統(tǒng)中，要求出瞳與人眼的入瞳重合，并且位于視覺光學(xué)系

7、統(tǒng)之外；遠(yuǎn)心光路需要找出瞳孔是否在焦點(diǎn)上，以減小測(cè)量誤差。物點(diǎn)和入瞳中心之間的連線稱為主光線。主光線也穿過光圈和出射光瞳的中心。主光線和光軸之間的角度稱為視角.2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，17。場(chǎng)光闌在光學(xué)系統(tǒng)中起著限制成像范圍(或視場(chǎng)大小)的作用。通常，場(chǎng)光闌大多設(shè)置在像面或物面上，有時(shí)在系統(tǒng)成像過程中也設(shè)置在中間實(shí)像面上。物體或圖像的大小直接受到場(chǎng)光闌孔徑的限制，場(chǎng)光闌孔徑之外的部分會(huì)被遮擋而無法成像，因此系統(tǒng)的成像范圍有一個(gè)非常清晰的邊界。場(chǎng)光闌的尺寸通常由光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求決定。5.3場(chǎng)闌，2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，18，光學(xué)系統(tǒng)物空間中場(chǎng)闌的共

8、軛像稱為入射窗，簡(jiǎn)稱入射窗；光學(xué)系統(tǒng)像空間中場(chǎng)光闌的共軛像簡(jiǎn)稱為出射窗；場(chǎng)光闌、入射窗和出射窗是共軛的，它們對(duì)視場(chǎng)的限制作用是等效的。入射窗和出射窗，2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，19，視場(chǎng)的計(jì)算，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，20，漸暈概念和漸暈系數(shù)，從離軸物點(diǎn)發(fā)射并充滿入射光瞳的光束，一些光被系統(tǒng)后面的光闌阻擋。當(dāng)視場(chǎng)光闌與物平面或像平面不重合時(shí)，視場(chǎng)將不可避免地產(chǎn)生漸暈。光圈離光圈越遠(yuǎn)，越有可能導(dǎo)致漸暈。2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，21，2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，22，漸暈系數(shù)，表面漸暈系數(shù)=入瞳上離軸點(diǎn)光束的橫截面積面積線漸暈系數(shù)=

9、入瞳上離軸點(diǎn)光束的高度第5章：光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，23，KD=1，這是一個(gè)非漸暈成像范圍。所有充滿入射光瞳的光線都通過，像面照度均勻KD=0.5，只允許主光線通過。半漸暈KD=0，最大成像范圍，2020年7月31日。第五章：光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，24，2020當(dāng)孔徑為0時(shí)，只有一條主光線通過物體表面的所有點(diǎn)。，2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，26，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)忽略場(chǎng)光闌時(shí)：當(dāng)所有的光闌都投射到第一個(gè)光闌的物方空間時(shí)，與具有最小中心開口角的入射光瞳的光闌“圖像”共軛的光闌稱為漸暈光闌；所有的光圈都被投射到最后一個(gè)光圈的圖像空間中，并且與具有最小出射光瞳中心角的光圈“圖像”共軛的光圈被

10、稱為漸暈光圈。當(dāng)孔徑光闌無限小時(shí)，漸暈光闌直接限制了成像范圍，所以它過去被稱為“場(chǎng)光闌”，其圖像被稱為“入射窗”和“出射窗”。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)具有視場(chǎng)光闌時(shí)，它也可以具有漸暈光闌，此時(shí)漸暈光闌起到阻擋光的作用。為什么稱它為漸暈光闌，因?yàn)樗拗频囊晥?chǎng)邊界不清楚，2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，27，兩個(gè)問題，是否所有的光學(xué)系統(tǒng)都應(yīng)該是無漸暈的，當(dāng)孔徑和視場(chǎng)較大時(shí)，既沒有必要也不可能是無漸暈的。因?yàn)檫h(yuǎn)離光圈的透鏡的直徑不能做得太大，并且適當(dāng)?shù)刈钃踹h(yuǎn)離理想成像狀態(tài)的離軸光束，即大的像差，有利于提高圖像質(zhì)量。因此，適當(dāng)?shù)臐u暈經(jīng)常發(fā)生。一般來說，50%是允許的，30%是必要的。不管是否只有一個(gè)

11、漸暈光闌，漸暈光闌的圖像在入射光瞳之后，而漸暈光闌的圖像阻擋光在入射光瞳之前，上面的阻擋光是單向阻擋光，相當(dāng)于光學(xué)系統(tǒng)外的孔徑。但是當(dāng)光圈在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)，可能有兩個(gè)漸暈光圈，一個(gè)阻擋光，另一個(gè)阻擋光。特別是在完全對(duì)稱的系統(tǒng)中，必須有兩個(gè)漸暈光闌。5.4漸暈光闌和場(chǎng)鏡的應(yīng)用，2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，28，2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，29，2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，30，2020/。場(chǎng)鏡是加在系統(tǒng)中間像面或其附近的正透鏡，它可以改變成像光束的位置而不影響系統(tǒng)的光學(xué)特性。無限物體通過物鏡形成的圖像應(yīng)正好落在場(chǎng)鏡的物方主面上，場(chǎng)鏡形成的圖像

12、大小相等，所以場(chǎng)鏡的加入并不影響系統(tǒng)的光學(xué)特性，但場(chǎng)鏡作用在離軸物點(diǎn)的光線上，降低了它們射向目鏡時(shí)的高度，從而可以相應(yīng)地減小目鏡的孔徑。2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，33，某些光學(xué)系統(tǒng)要求在一個(gè)像平面上成像部分或整個(gè)空間，這可能嗎？5.5景深和遠(yuǎn)心光路，2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，34，一些光學(xué)系統(tǒng)要求在一個(gè)像平面上成像部分或整個(gè)空間，這可能嗎？為什么看照片沒有立體感，而且遠(yuǎn)近都清楚？理論上，只有共軛物面才能在像面上形成清晰的圖像，其他物點(diǎn)形成的圖像都是彌散斑。然而，當(dāng)斑點(diǎn)對(duì)眼睛的張開角度小于眼睛1的最小分辨率角度時(shí)，它對(duì)人眼來說看起來仍然有點(diǎn)小。此時(shí)，斑點(diǎn)可以被視為平面上的空間點(diǎn)的圖像。5.5景深和遠(yuǎn)心光路，2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，35，對(duì)準(zhǔn)平面，遠(yuǎn)平面，近距平面，場(chǎng)景平面，遠(yuǎn)景深，近景深，2020/7/31，第5章光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，36，遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。像側(cè)遠(yuǎn)心光路的孔徑與f重合，出射光瞳位于像側(cè)的無窮遠(yuǎn)處，像側(cè)的主光線平行于光軸。2020/7/31，第5章，光學(xué)系統(tǒng)的光束限制，37，AB的長(zhǎng)度由光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量。如果聚焦在A1B1上，它會(huì)在