工程光學(xué)教學(xué)課件第04章-1

1、第4章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制,光闌 照相系統(tǒng)中的光闌 望遠(yuǎn)系統(tǒng)中成像光束的選擇 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析 光學(xué)系統(tǒng)的景深,本章重點(diǎn),孔徑光闌、視場(chǎng)光闌的確定方法 遠(yuǎn)心光路 景深,光闌：構(gòu)成光具組的各種光學(xué)元件的邊框或一些開孔屏，對(duì)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。,光闌的作用：通過限制光具組的光束孔徑和視場(chǎng)，影響著光具組成像的像差、像的亮暗、景深、分辨本領(lǐng)及空間范圍等。,光闌的類型：孔徑光闌，視場(chǎng)光闌,孔徑光闌,限制軸上物點(diǎn)光束寬度的光孔，也稱為“有效光闌”,P1P2是孔徑光闌,主要用于控制成像面的光能！,1、孔徑光闌的定義與作用,孔徑光闌同時(shí)具有選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位

2、置作用,孔徑光闌,2、入射光瞳和出射光瞳,P1P2孔徑光闌經(jīng)前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像 P1P2稱為入射光瞳，簡(jiǎn)稱入瞳，入瞳邊緣對(duì)物點(diǎn)A的張角稱為物方孔徑角2U,當(dāng)孔徑光闌前方無光學(xué)系統(tǒng)，則孔徑光闌就是入瞳。,孔徑光闌,2、入射光瞳和出射光瞳,P1P2孔徑光闌經(jīng)后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像 P”1P”2稱為出射光瞳，簡(jiǎn)稱出瞳，出瞳邊緣對(duì)像點(diǎn)A的張角稱為像方孔徑角2U,當(dāng)孔徑光闌后方無光學(xué)系統(tǒng)，則孔徑光闌就是出瞳。,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,是各個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的成像光束的光束軸線。,光瞳圖,光瞳圖,邊沿光線,主光線,孔徑光闌,3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個(gè)問題,孔徑光闌是針對(duì)軸上

3、物點(diǎn)定義的，物平面發(fā)生變更，孔徑光闌將有可能易主。,孔徑光闌,3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個(gè)問題,首先，將系統(tǒng)中所有元件的光孔成像到物空間，用計(jì)算方法確定其位置和大小 。,第二步，由物面中心A點(diǎn)對(duì)各個(gè)像的邊緣引直線，入射光瞳是其中張角最小者，對(duì)應(yīng)的物為孔徑光闌。,孔徑光闌的確定方法,孔徑光闌,3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個(gè)問題,若物體位于無限遠(yuǎn)，此時(shí)僅比較各個(gè)像本身的大小，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。,對(duì)稱于光闌的對(duì)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+1，入射光瞳面和出射光瞳面分別與光學(xué)系統(tǒng)的物方主平面和像方主平面重

4、合。,孔徑光闌,3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個(gè)問題,入瞳的大小是由光學(xué)系統(tǒng)對(duì)成像光能的要求或者對(duì)物體細(xì)節(jié)的分辨能力(分辨率)的要求來確定的。常以入瞳直徑和焦距之比值來表示， 稱為相對(duì)孔徑，它是光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。,孔徑光闌,3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個(gè)問題,孔徑光闌的安放要遵循一定原則。,對(duì)于目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳必須在目鏡外，便于與其銜接。,在投影計(jì)量光學(xué)中，要求入瞳或出瞳位于無窮遠(yuǎn)。,在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，可以合理設(shè)置孔徑光闌位置用以校正像差。,可以合理設(shè)置孔徑光闌的大小來匹配光學(xué)鏡組之間的能量。,視場(chǎng)：能夠通過光組清晰成像的物平面空間范圍,視場(chǎng)光闌：限制物平面或物空間范圍的光闌。,視場(chǎng)光

5、闌,視場(chǎng)光闌,限制物平面或物空間范圍的光闌稱視場(chǎng)光闌。,Q1Q2是視場(chǎng)光闌。 Q1Q2為入射窗; Q1Q2本身也為出射窗。 通常設(shè)置在系統(tǒng)的實(shí)像平面或物平面,Q1,Q2,(2)計(jì)算這些像的邊緣對(duì)入瞳中心的張角大小。張角最小者即為入射窗，入射窗對(duì)應(yīng)的光學(xué)元件為視場(chǎng)光闌.,入射窗邊緣對(duì)入瞳中心的張角為物方視場(chǎng)角 ，同時(shí)也決定了視場(chǎng)邊緣點(diǎn)。 視場(chǎng)光闌經(jīng)后面光學(xué)零件所成的像即為出射窗，出射窗對(duì)出瞳中心的張角即為像方視場(chǎng)角 。,視場(chǎng)光闌是對(duì)一定位置的孔徑光闌而言的。,確定視場(chǎng)光闌的方法：,(1)將所有光孔經(jīng)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到物空間，確定入瞳中心位置 (實(shí)際上在確定孔徑光闌時(shí)這一步驟已完成)。,孔徑光闌

6、為無限小時(shí)，物面范圍由入窗邊緣與入瞳中心連線決定。,線視場(chǎng):物方線視場(chǎng)為物高的兩倍，以2y表示。像方線視場(chǎng)為像高的兩倍，以2y表示。,減小孔徑光闌并不會(huì)對(duì)視場(chǎng)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。 ）,孔徑光闌的變化,視場(chǎng)光闌在像方對(duì)光線的限制在本質(zhì)上是在物方對(duì)光線的限制。,視場(chǎng)與成像范圍,例：有一個(gè)由三個(gè)光學(xué)零件組成的光組，透鏡O1,其口徑D14mmf1=36mm，透鏡O2，其口徑 D212mm，f2=15mm,二透鏡間隔195mm，在離透鏡O1右180mm處設(shè)有一光孔D310mm，物點(diǎn)離透鏡Ol為-45mm1）求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置?2)求視場(chǎng)光闌和入窗出窗的大小

7、和位置？,解：光孔D3經(jīng)O1成像,在O1左方與物點(diǎn)重合,透鏡O2經(jīng)O1成像,在A點(diǎn)右方0.85mm,（1）求孔徑光闌、入瞳、出瞳,U1最小，故物鏡框O1是入瞳，也是孔徑光闌。它經(jīng)O2的像為出瞳。,（2）求視場(chǎng)光闌、入窗、出窗,故光孔O3為視場(chǎng)光闌，入窗與物平面重合，大小為2.5mm，出窗在無窮遠(yuǎn)。,O1 的像高,O2 的像高,作業(yè),如圖所示，有一光學(xué)透鏡組O1,O2的口徑D1=D2=50mm,焦距f1=f2=150,兩透鏡間距為300mm,并在中間置以光孔O3,口徑D3=20mm,透鏡O2右側(cè)150mm出置一光孔O4,孔徑D4=40mm,平面物體處于透鏡O1左側(cè)150mm處。1）求孔徑光闌和入

8、瞳出瞳的大小和位置？2）求視場(chǎng)光闌和入窗出窗的大小和位置？,O4,照相系統(tǒng)組成,照相系統(tǒng)中的光闌,照相機(jī)的光圈數(shù),光闌位置對(duì)成像光束的影響,光闌位置對(duì)成像光束的影響,光闌位置對(duì)成像光束的影響,孔徑光闌位置移動(dòng)，對(duì)軸上成像光束并無影響。,光闌位置對(duì)成像光束的影響,光闌位置對(duì)成像光束的影響,光闌位置對(duì)成像光束的影響,光闌位置對(duì)成像光束的影響,孔徑光闌位置移動(dòng)，對(duì)軸外成像光束有明顯影響。,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,軸外物點(diǎn)充滿孔徑光闌的光束被部分地?cái)r截，稱為“漸暈”。該光闌稱為“漸暈光闌”，漸暈光闌多為透鏡框。漸暈光闌的作用是參與限

9、制軸外點(diǎn)成像光束。,漸暈光闌,“漸暈系數(shù)”：,望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的組成,主要參數(shù)：視角放大率，視場(chǎng)角2，出瞳直徑D 出瞳距離lz,物鏡焦距f物,目鏡焦距f目,照相系統(tǒng)中的光闌,望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光闌位置,簡(jiǎn)化圖中，物鏡框?yàn)榭讖焦怅@；分劃板為視場(chǎng)光闌； 物鏡對(duì)目鏡成的像距即為出瞳距離lz6mm,望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光闌位置,實(shí)際系統(tǒng)中，物鏡框前后10mm左右放置孔徑光闌；分劃板為視場(chǎng)光闌；孔徑光闌對(duì)目鏡成的像距即為出瞳距離lz6mm,簡(jiǎn)單顯微系統(tǒng)中的光束限制,顯微系統(tǒng)中的光闌,遠(yuǎn)心光路,物方遠(yuǎn)心光路 像方遠(yuǎn)心光路,物方遠(yuǎn)心光路,光學(xué)儀器中的很大部分儀器用來測(cè)量長(zhǎng)度。 有一類光學(xué)儀器要求以“恒定放大率” 使被測(cè)物之像與

10、一刻尺相比，以求得一被測(cè)物之長(zhǎng)度。,工具顯微鏡,按工具顯微鏡的工作臺(tái)的大小和可移動(dòng)的距離、測(cè)量精度的高低以及測(cè)量范圍的寬窄，一般分為小型，大型和萬能型及重型。它們的測(cè)量精度和測(cè)量范圍不同，但基本結(jié)構(gòu)、測(cè)量方法大致相同,孔徑光闌為物鏡鏡框的情況,標(biāo)尺分劃板 （實(shí)像面）,分劃板與物鏡距離固定，以確保放大率為常數(shù),因精確聚焦困難，測(cè)量誤差較大。,設(shè)計(jì)物面,孔徑光闌移至物鏡鏡框后焦平面時(shí)的情況,光路特點(diǎn)是入瞳位于無窮遠(yuǎn)，軸外點(diǎn)主光線平行于光軸，稱為物方遠(yuǎn)心光路（常用于顯微鏡測(cè)量系統(tǒng)）。,軸外物點(diǎn)光束中心相同,分劃板標(biāo)尺上兩個(gè)彌散園中心間距不變,測(cè)量顯微鏡物方遠(yuǎn)心光路。,孔徑光闌,像方遠(yuǎn)心光路,另一類光

11、學(xué)儀器是把標(biāo)尺放在不同的位置，通過改變光學(xué)系統(tǒng)的放大率而使標(biāo)尺像等于一個(gè)已知值，以求得儀器到標(biāo)尺之間的距離。,經(jīng)緯儀,像方遠(yuǎn)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(zhǔn)，標(biāo)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(cè)量精度。,像方遠(yuǎn)心光路,為消除或減小這種誤差，可以在物鏡的物方焦平面上設(shè)置一個(gè)孔徑光闌。,因?yàn)檫@種光學(xué)系統(tǒng)的像方主光線平行于光軸，其會(huì)聚中心在像方無限遠(yuǎn)處，故稱為像方遠(yuǎn)心光路（常用于望遠(yuǎn)鏡測(cè)量系統(tǒng)）。,場(chǎng)鏡的應(yīng)用,在一些應(yīng)用中，需要加長(zhǎng)光學(xué)系統(tǒng)，以滿足出瞳的匹配要求。,一種方法是在系統(tǒng)中加入一個(gè)放大倍率為-1倍的成像透鏡。,在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，需要采用棱鏡轉(zhuǎn)折光路，以縮短

12、光學(xué)系統(tǒng)。,場(chǎng)鏡的應(yīng)用,這種方法為導(dǎo)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。,解決的方法：在物鏡的成像面位置放置一個(gè)薄透鏡。,場(chǎng)鏡的應(yīng)用,1轉(zhuǎn)像系統(tǒng),場(chǎng)鏡的應(yīng)用,加入薄透鏡不會(huì)改變?cè)上裣到y(tǒng)的特性。,加入薄透鏡也不會(huì)改變軸上點(diǎn)光束的行進(jìn)走向。,這種與像面重合或緊靠像面的薄透鏡稱為場(chǎng)鏡。,場(chǎng)鏡具有可以輔助延長(zhǎng)光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)度且不增大后續(xù)透鏡的孔徑的功能！,光學(xué)系統(tǒng)的景深,前面討論的只是在垂直于光軸的平面上點(diǎn)的成像問題，屬于這種情況的光學(xué)系統(tǒng)有照相制版物鏡，電影放映物鏡等。實(shí)際上，有很多儀器需要把空間中的物點(diǎn)成像在一個(gè)像面上，如望遠(yuǎn)鏡和照相機(jī)等。這就存在著空間物在平面上成像的清晰度問

13、題。,光學(xué)系統(tǒng)的空間像,景象平面,對(duì)準(zhǔn)平面,彌散斑,光學(xué)系統(tǒng)的空間像,景象平面,對(duì)準(zhǔn)平面,彌散斑,光學(xué)系統(tǒng)的空間像,景象平面,對(duì)準(zhǔn)平面,彌散斑,光學(xué)系統(tǒng)的空間像,將物空間中的物點(diǎn)在同一個(gè)像平面上所成的像稱為空間像。,景象平面,對(duì)準(zhǔn)平面,彌散斑,光學(xué)系統(tǒng)的空間像,物方空間點(diǎn)成像方法：以入瞳中心點(diǎn)為投影中心，以主光線為投影線，使空間點(diǎn)投影在對(duì)準(zhǔn)平面上，再成像在景象平面上。,景象平面,對(duì)準(zhǔn)平面,彌散斑,當(dāng)彌散斑直徑小于人眼的鑒別能力，實(shí)際像產(chǎn)生的模糊是無法辨認(rèn)的，可視為清晰像。此時(shí)，這個(gè)彌散斑稱為容許彌散圓。,光學(xué)系統(tǒng)的景深,彌散斑,在對(duì)焦點(diǎn)前后各有一個(gè)容許彌散圓，這兩個(gè)彌散圓在物空間對(duì)應(yīng)的物平面之

14、間的距離就叫景深。,光圈值發(fā)生變化,對(duì)于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大,景象平面,對(duì)準(zhǔn)平面,Z1,Z2 是對(duì)準(zhǔn)平面彌散斑直徑,由相似三角形關(guān)系可得,遠(yuǎn)景深,近景深,遠(yuǎn)近點(diǎn),遠(yuǎn)景深,近景深,通常容許彌散圓可表示為：,人眼極限分辨角,景 深,照相機(jī)的光圈數(shù)定義為：,影響攝影鏡頭景深的因素： (1)、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??； (2)、鏡頭焦距 鏡頭焦距越長(zhǎng)，景深越小；焦距越短，景深越大； (3)、拍攝距離 距離越遠(yuǎn)，景深越大；距離越近，景深越小。,例：,已知=0.00029rad,對(duì)準(zhǔn)平面P=10m，設(shè)照相物鏡光圈數(shù)F2.8，試求焦距f為56mm時(shí)的景深情況。,解1：,由,：,當(dāng),解2：,第4章作業(yè),1. 設(shè)照相物鏡的焦距等于75mm,底片尺寸為55mm55mm，求該照相物鏡的最大視場(chǎng)角等于多少？ 2. 設(shè)照相物鏡焦距f75mm，在明視距離觀察時(shí)容許