工程光学第4章光学系统中的光阑和光束限制.pptx

第四章第四章 光学系统中的光阑和光束限制光学系统中的光阑和光束限制实际光学系统与理想光学系统不同，其参与实际光学系统与理想光学系统不同，其参与成像的光束宽度和成像范围都是有限的，如成像的光束宽度和成像范围都是有限的，如何何合理的选择成像光束合理的选择成像光束很重要。很重要。u光阑光阑u照相系统中的光阑照相系统中的光阑u望远镜系统成像光束的选择望远镜系统成像光束的选择u显微镜系统中的光束限制与分析显微镜系统中的光束限制与分析u光学系统的景深光学系统的景深第一节第一节 光阑光阑光学系统中一些中心开孔的用来限制成像光束光学系统中一些中心开孔的用来限制成像光束和成像范围的薄金属片，称为和成像范围的薄金属片，称为光阑。光阑。光阑也可能是光学元件的边框。光阑也可能是光学元件的边框。孔径光阑孔径光阑和和视场光阑。视场光阑。一一.孔径光阑孔径光阑限制轴上物点孔径角限制轴上物点孔径角1.定义和作用定义和作用仅就旋转轴上物点仅就旋转轴上物点孔径角而言，孔径孔径角而言，孔径光阑可以放在光阑可以放在透镜透镜前、透镜上、透镜前、透镜上、透镜后，后，没有区别。没有区别。孔径光阑位置不同，轴外点参与成像的光束孔径光阑位置不同，轴外点参与成像的光束位置不同，光束通过透镜的部位也不同。位置不同，光束通过透镜的部位也不同。透镜口径通过所有成像光束所需要透镜尺寸。透镜口径通过所有成像光束所需要透镜尺寸。孔径光阑的位置影响透镜口径的大小。孔径光阑的位置影响透镜口径的大小。当光阑位于透镜上时，透镜口径最小。当光阑位于透镜上时，透镜口径最小。组合光学系统涉及到组合光学系统涉及到孔径光阑的匹配问题孔径光阑的匹配问题，首，首先必须明确两个概念：先必须明确两个概念：入射光瞳入射光瞳和和出射光瞳出射光瞳。2.入射光瞳和出射光瞳入射光瞳和出射光瞳入射光瞳：入射光瞳：孔径光阑对其前面光学系统所成的像孔径光阑对其前面光学系统所成的像出射光瞳：出射光瞳：孔径光阑对其后面光学系统所成的像孔径光阑对其后面光学系统所成的像入瞳确定了，能够进入系统的光线也就确定了；入瞳确定了，能够进入系统的光线也就确定了；出瞳同理。出瞳同理。孔径光阑在系统的最前面，孔径光阑本身就是入瞳；孔径光阑在系统的最前面，孔径光阑本身就是入瞳；系统是一个薄透镜，当孔径光阑按放其上时，光阑既是入系统是一个薄透镜，当孔径光阑按放其上时，光阑既是入瞳也是出瞳；瞳也是出瞳；孔径光阑在系统的最后面，孔径光阑本身就是出瞳；孔径光阑在系统的最后面，孔径光阑本身就是出瞳；在具体光学系统中，当物平面位置变动时，需在具体光学系统中，当物平面位置变动时，需分析真正起作用的光阑是谁。分析真正起作用的光阑是谁。3.讨论讨论对于由多个口径已经确定的透镜组合在一起的镜头，对于由多个口径已经确定的透镜组合在一起的镜头，对于位置确定的轴上物点，要分析哪个透镜的边框对于位置确定的轴上物点，要分析哪个透镜的边框是孔径光阑。是孔径光阑。方法方法1：从确定的轴上物点追踪一条近轴光线，求出在每个从确定的轴上物点追踪一条近轴光线，求出在每个折射面上的投射高度，投射高度与口径之比最大的折射面上的投射高度，投射高度与口径之比最大的透镜边框就是镜头的孔径光阑。透镜边框就是镜头的孔径光阑。方法方法2：将每一块透镜经它前面的所有透镜成像，并求出像将每一块透镜经它前面的所有透镜成像，并求出像的大小，这些像中对给定的轴上物点所张的角最小的大小，这些像中对给定的轴上物点所张的角最小者，其对应的透镜边框就是镜头的孔径光阑。者，其对应的透镜边框就是镜头的孔径光阑。孔径光阑位置的按放原则在不同的光学系统中孔径光阑位置的按放原则在不同的光学系统中是不同的。是不同的。目视光学系统：出瞳与眼瞳像衔接；目视光学系统：出瞳与眼瞳像衔接；投影计量光学系统：入瞳和出瞳在无限远；投影计量光学系统：入瞳和出瞳在无限远；有利于像差校正；有利于像差校正；注意光学系统各元件口径的匹配。注意光学系统各元件口径的匹配。光学系统能够清晰成像的物面大小是有限的。光学系统能够清晰成像的物面大小是有限的。物方视场物方视场：能够清晰成像的物面范围；能够清晰成像的物面范围；像方视场像方视场：物方视场对应的像面范围。物方视场对应的像面范围。二二.视场光阑视场光阑视场是用光阑主动限定的视场是用光阑主动限定的-视场光阑视场光阑类似于孔径光阑的入瞳和出瞳，视场光阑对应类似于孔径光阑的入瞳和出瞳，视场光阑对应的有的有入射窗入射窗和和出射窗。出射窗。第二节第二节 照相系统中的光阑照相系统中的光阑照相镜头、可变光阑、感光底片照相镜头、可变光阑、感光底片可变光阑（光圈）：可变光阑（光圈）：调节光能量以适应外界不同调节光能量以适应外界不同的照明条件。的照明条件。就限制轴上点的光束宽度而言，孔径光阑处于就限制轴上点的光束宽度而言，孔径光阑处于不同的位置本质上没有什么区别。不同的位置本质上没有什么区别。对于轴外成像光束，当光阑的位置不同时，对于轴外成像光束，当光阑的位置不同时，参与成像的光束空间位置不同；参与成像的光束空间位置不同；光束通过透镜的部位不一样（像质差异）；光束通过透镜的部位不一样（像质差异）；通过全部成像光束需要的透镜孔径不一样。通过全部成像光束需要的透镜孔径不一样。实际的光学系统，透镜的孔径是有限的，其实际的光学系统，透镜的孔径是有限的，其边框阻挡部分轴外参与成像的光线，使轴外边框阻挡部分轴外参与成像的光线，使轴外点参与成像光束的宽度比轴上点小，从而边缘像点参与成像光束的宽度比轴上点小，从而边缘像比中心暗比中心暗-渐晕。渐晕。渐晕系数：渐晕系数：入射光瞳示意入射光瞳示意第三节第三节 望远镜系统成像光束的选择望远镜系统成像光束的选择假设光学参数如下：假设光学参数如下：计算孔径光阑在以下三个位置时，光学元件的计算孔径光阑在以下三个位置时，光学元件的孔径大小。孔径大小。（1）物镜左侧）物镜左侧10mm；（2）物镜上；）物镜上；（3）物镜右侧）物镜右侧10mm；分划板限制了系统的视场，为系统的视场光阑分划板限制了系统的视场，为系统的视场光阑Lz=-10;U=-4.25*pi/180;f1=108;f2=18;d=f1+f2;HZ1=tan(U)*Lzzhengqiezhi1=tan(U)+HZ1/f1;HZ2=HZ1-d*(zhengqiezhi1)zhengqiezhi2=zhengqiezhi1+HZ2/f2;LZ1=HZ2/zhengqiezhi2 Lz=0;U=-4.25*pi/180;f1=108;f2=18;d=f1+f2;HZ11=tan(U)*Lzzhengqiezhi1=tan(U)+HZ11/f1;HZ21=HZ11-d*(zhengqiezhi1)zhengqiezhi2=zhengqiezhi1+HZ21/f2;LZ2=HZ21/zhengqiezhi2 Lz=1/(1/10-1/108);U=-4.25*pi/180;f1=108;f2=18;d=f1+f2;HZ12=tan(U)*Lzzhengqiezhi1=tan(U)+HZ12/f1;HZ22=HZ12-d*(zhengqiezhi1)zhengqiezhi2=zhengqiezhi1+HZ22/f2;LZ3=HZ22/zhengqiezhi2追踪一条过光阑入瞳中心的主光线，计算程序追踪一条过光阑入瞳中心的主光线，计算程序通光口径见表通光口径见表4-1光阑位置对光阑位置对轴外光束位轴外光束位置的选择置的选择第四节第四节 显微镜系统中的光束限制与分析显微镜系统中的光束限制与分析物镜框限制了成像光束的口径，物镜框限制了成像光束的口径，孔径光阑孔径光阑；分划板限制了系统的成像范围，分划板限制了系统的成像范围，视场光阑视场光阑。一.远心光路在物镜的像方焦平面设置孔径光阑，其入瞳在在物镜的像方焦平面设置孔径光阑，其入瞳在无限远处无限远处-物方远心光路物方远心光路（保证弥散圆的中心距不变保证弥散圆的中心距不变）二二.场镜的应用场镜的应用在长光路显微镜系统中，设有在长光路显微镜系统中，设有转像镜转像镜，造成主，造成主光线在后面的透镜上投射高度很高，需要增大光线在后面的透镜上投射高度很高，需要增大透镜口径。透镜口径。再加一个再加一个场镜场镜解决这个问题解决这个问题场镜和物镜的像平面重合场镜和物镜的像平面重合，降低主光线在后面，降低主光线在后面系统上的投射高度，不改变轴上点的光束行进系统上的投射高度，不改变轴上点的光束行进走向，将孔径光阑成像在转像透镜上，起到走向，将孔径光阑成像在转像透镜上，起到光光瞳衔接瞳衔接的作用。的作用。第五节第五节 光学系统的景深光学系统的景深一一.光学系统的空间像光学系统的空间像照相制版、电影放映：照相制版、电影放映：平面像平面像；望远镜、照相物镜：望远镜、照相物镜：空间像空间像。景像平面景像平面 ；在物空间和景象平面共轭的平面在物空间和景象平面共轭的平面AB称为称为对准平面对准平面。以入射光瞳中心点以入射光瞳中心点P为投影中心，将空间点沿主为投影中心，将空间点沿主光线向对准平面上投影，投影点在景象平面上的光线向对准平面上投影，投影点在景象平面上的共轭点就是共轭点就是空间点的平面像空间点的平面像。非对准平面内的空间点发出的充满光瞳的光束非对准平面内的空间点发出的充满光瞳的光束和对准平面交为和对准平面交为弥散斑弥散斑，相应的在景象平面上，相应的在景象平面上的像也是一个弥散斑，的像也是一个弥散斑，弥散斑的大小和光瞳直径弥散斑的大小和光瞳直径、空间点到对准平面的距离有关。、空间点到对准平面的距离有关。投影中心前后移投影中心前后移动，投影像的变动，投影像的变化和景物是不成化和景物是不成比例的比例的-投射失真投射失真视场不同，放大率变化，中心区域放大率视场不同，放大率变化，中心区域放大率大（小）；边缘区域放大率小（大）。大（小）；边缘区域放大率小（大）。广角物镜广角物镜是指焦距小、视场范围大的物镜，是指焦距小、视场范围大的物镜，适于近距离大视场拍摄适于近距离大视场拍摄二二.光学系统的景深光学系统的景深对准平面以外的点在景象平面成像为一个弥散对准平面以外的点在景象平面成像为一个弥散斑，当弥散斑小于一定限度时，可认为仍然是斑，当弥散斑小于一定限度时，可认为仍然是一个点，成清晰像。一个点，成清晰像。例如，弥散斑足够小，对人眼的张角小于例如，弥散斑足够小，对人眼的张角小于人眼人眼的极限分辨角的极限分辨角（约为（约为1秒），则对人眼无不清晰秒），则对人眼无不清晰的感觉。的感觉。在景象平面上能成清晰像的物空间的深度称为在景象平面上能成清晰像的物空间的深度称为成像空间的成像空间的景深景深。二二.光学系统的景深光学系统的景深远景平面、远景平面、远景深度；远景深度；近景平面、近景平面、近景深度。近景深度。二二.光学系统的景深光学系统的景深景象平面弥散斑的大小除于入瞳直径有关，还景象平面弥散斑的大小除于入瞳直径有关，还与距离与距离p，p1、p2有关。有关。弥散斑直径的允许值取决于光学系统的用途。弥散斑直径的允许值取决于光学系统的用途。二二.光学系统的景深光学系统的景深普通的照相物镜，要求弥散斑对人眼的张角小普通的照相物镜，要求弥散斑对人眼的张角小于人眼的极限分辨角于人眼的极限分辨角 。极限分辨角确定以后，弥散斑大小还与眼睛到极限分辨角确定以后，弥散斑大小还与眼睛到照片的距离有关，即确定观察距离。照片的距离有关，即确定观察距离。为了获得正确的空间感觉，必须以适当的距离为了获得正确的空间感觉，必须以适当的距离观察照片，应使照片上图像各点对眼睛的张角观察照片，应使照片上图像各点对眼睛的张角与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。-正确透视距离正确透视距离D。入射光瞳的直径越小，即孔径角越小，景深越大。入射光瞳的直径越小，即孔径角越小，景深越大。所以，在拍照片时，缩小光圈可以获得大的空间所以，在拍照片时，缩小光圈可以获得大的空间深度的清晰像。深度的清晰像。分析：分析：（1）当远景深度为无穷大时，）当远景深度为无穷大时，当把物镜调焦于当把物镜调焦于p处，可以得到自入射光瞳前处，可以得到自入射光瞳前距离为距离为 处的平面起到无限远的空间物体的处的平面起到无限远的空间物体的清晰像清晰像（2）当把物镜调焦到无限远时，）当把物镜调焦到无限远时，分析：分析：（3）上面的讨论是针对照片的正确透射距离的，）上面的讨论是针对照片的正确透射距离的，许多时候，直接给定弥散斑的大小限制，此时景许多时候，直接给定弥散斑的大小限制，此时景深与焦距是有关系的。深与焦距是有关系的。例例1；例例2 总结总结：孔径光阑、入瞳和出瞳；光阑对成像光束大小孔径光阑、入瞳和出瞳；光阑对成像光束大小和位置的限制；和位置的限制；视场光阑、入射窗和出射窗；视场光阑、入射窗和出射窗；渐晕光阑渐晕光阑照相系统中的光阑照相系统中的光阑望远镜系统中的光阑、光瞳衔接；望远镜系统中的光阑、光瞳衔接；显微镜系统中的光阑、远心光路、场镜；显微镜系统中的光阑、远心光路、场镜；空间像、弥散斑、透射失真、景象畸变；空间像、弥散斑、透射失真、景象畸变；光学系统的景深、正确透射距离光学系统的景深、正确透射距离 作业作业：P73：1、3、4