物理光学与应用光学第四章幻灯片.ppt

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1、物理光学与应用光学第四章第1页，共99页，编辑于2022年，星期一因为每个光学零件都有一定的大小，能够进入系统成像因为每个光学零件都有一定的大小，能够进入系统成像的光束总有一定限制的。决定每个光学零件尺寸的就是的光束总有一定限制的。决定每个光学零件尺寸的就是系统中成像光束的位置和大小。系统中成像光束的位置和大小。光学系统除了物象共轭，成像放大率要求外，还要有光学系统除了物象共轭，成像放大率要求外，还要有一定成像范围的要求。一定成像范围的要求。因为像平面上要有一定的光能和反映物面细节的能力因为像平面上要有一定的光能和反映物面细节的能力(分分辨率，由衍射理论知与孔径成正比的辨率，由衍射理论知与孔径

2、成正比的)。第2页，共99页，编辑于2022年，星期一光阑及其作用光阑及其作用1.1.作用作用限制成像光束的孔径角，成像的范围，当然也就限制了限制成像光束的孔径角，成像的范围，当然也就限制了进光量的多少，像的亮度；就限制了成像的大小了。进光量的多少，像的亮度；就限制了成像的大小了。通光孔径通光孔径例例：在光学系统中，装夹透镜和其他零件的金属框：在光学系统中，装夹透镜和其他零件的金属框 的内孔边缘就是限制光束的光孔。的内孔边缘就是限制光束的光孔。而仅仅靠他们来限制光束不远远不够的，还需要特意设置而仅仅靠他们来限制光束不远远不够的，还需要特意设置限制光束的装置的。限制光束的装置的。2.2.光阑光阑

3、带孔的金属薄片。通常形状是圆的，其中心和光轴带孔的金属薄片。通常形状是圆的，其中心和光轴重合，其平面与光轴垂直。重合，其平面与光轴垂直。光阑光阑第3页，共99页，编辑于2022年，星期一光阑的分类光阑的分类1.1.孔径光阑孔径光阑它是限制轴上物点成像光束立体角的。它是限制轴上物点成像光束立体角的。在有些光学系统中是有特定要求的。在有些光学系统中是有特定要求的。它决定轴上点发出的平面光束的孔径角。它决定轴上点发出的平面光束的孔径角。M1N1光阑光阑第4页，共99页，编辑于2022年，星期一(1)(1)在目视光学系统中，光阑或者光阑的像一定要在目视光学系统中，光阑或者光阑的像一定要 在光学系统的外

4、边，使眼睛的瞳孔可以与之重在光学系统的外边，使眼睛的瞳孔可以与之重 合，以达到良好的观察效果。合，以达到良好的观察效果。例例：(2)(2)在计量光学系统中，为了达到精确的测量，在计量光学系统中，为了达到精确的测量，光阑常放在物镜的焦平面上。形成光阑常放在物镜的焦平面上。形成“远心光路远心光路”。除此以外，光学系统中的光阑位置是可以任意选择的，但是，除此以外，光学系统中的光阑位置是可以任意选择的，但是，合理的选择光阑的位置可以改善轴外点的成像质量。合理的选择光阑的位置可以改善轴外点的成像质量。12M1M2N1N2光阑光阑第5页，共99页，编辑于2022年，星期一当光阑位置改变时，应相应的改变其大

5、小，以保证轴上点当光阑位置改变时，应相应的改变其大小，以保证轴上点光束的孔径角不变光束的孔径角不变合理选择光阑的位置，在保证成像质量的前提下，可以使合理选择光阑的位置，在保证成像质量的前提下，可以使整个光学系统的尺寸减少，系统的结构均称。整个光学系统的尺寸减少，系统的结构均称。12M1M2N1N2光阑光阑第6页，共99页，编辑于2022年，星期一2.2.视场光阑视场光阑它是决定物平面上或物空间中成像范围的光阑。它是决定物平面上或物空间中成像范围的光阑。以上的两种光阑是光学系统系统中最重要的光阑，任何系统以上的两种光阑是光学系统系统中最重要的光阑，任何系统都有这两种光阑的都有这两种光阑的 。3.

6、3.消杂光光阑消杂光光阑(3)(3)该光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制那些从该光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制那些从 非成像物体射来的光，非成像物体射来的光，例如：例如：各反射面反射的光，仪器内壁反射的各反射面反射的光，仪器内壁反射的光等。光等。(1)(1)杂光杂光(2)(2)其危害：使像面产生明亮的背景，降低像的衬度其危害：使像面产生明亮的背景，降低像的衬度非成像的光，来自反射面反射的光，仪器内壁反射的光等。非成像的光，来自反射面反射的光，仪器内壁反射的光等。第7页，共99页，编辑于2022年，星期一(4)(4)当然也只是一些重要的光学系统，专门设置消杂光光阑当然也只是一些重

7、要的光学系统，专门设置消杂光光阑 的，且可以有几个的。的，且可以有几个的。例如例如：天文望远镜，长焦距平行：天文望远镜，长焦距平行 光管等。光管等。(5)(5)一般的系统仅仅使用其镜管内壁加工成内螺纹，并涂以一般的系统仅仅使用其镜管内壁加工成内螺纹，并涂以 黑色无光漆或者煮黑来达到消杂光的目的。黑色无光漆或者煮黑来达到消杂光的目的。分划板分划板消杂光光阑消杂光光阑物镜物镜第8页，共99页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 光阑光阑1 1、孔径光阑的定义和作用、孔径光阑的定义和作用一、孔径光阑一、孔径光阑 (Aperture Stops)含义含义1 1：限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。

8、限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。限制成像光束和成像范围限制成像光束和成像范围第9页，共99页，编辑于2022年，星期一 含义含义2 2：孔径光阑的位置不同，但孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像光束都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成像光束的孔径角不变。像光束的孔径角不变。第10页，共99页，编辑于2022年，星期一 含义含义3 3：孔径光阑的位置不同，则对应于孔径光阑的位置不同，则对应于选择轴外物点发出光选择轴外物点发出光束的不同部分参与成像束的不同部分参与成像。孔径光阑的

9、定义：孔径光阑的定义：1 1）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）；）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）；2 2）选择轴外物点成像光束的位置。）选择轴外物点成像光束的位置。第11页，共99页，编辑于2022年，星期一2 2、入射光瞳与出射光瞳、入射光瞳与出射光瞳(Entrance and Exit pupils)Pupils：The image of the Aperture Stops入射光瞳：入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）出射光瞳：出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）孔径光阑经其后面光学系统所成的像（

10、像空间）照相机镜头中的孔径光阑照相机镜头中的孔径光阑第12页，共99页，编辑于2022年，星期一孔径光阑孔径光阑孔径光阑孔径光阑物像关系物像关系后面后面光学光学系统系统入瞳入瞳出瞳出瞳孔径光阑孔径光阑前面前面光学光学系统系统整整个个光光学学系系统统第13页，共99页，编辑于2022年，星期一 孔径光阑、入瞳与出瞳孔径光阑、入瞳与出瞳出瞳出瞳 入瞳入瞳孔径孔径光阑光阑1 1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。2 2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。3 3）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了）孔径光

11、阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了 入瞳、出瞳；三者互为物像关系。入瞳、出瞳；三者互为物像关系。第14页，共99页，编辑于2022年，星期一3 3、关于孔径光阑需要注意的几个问题、关于孔径光阑需要注意的几个问题(1)(1)轴上物点的位置发生变化，孔径光阑也会变化。轴上物点的位置发生变化，孔径光阑也会变化。(2)(2)几个口径一定的透镜组合几个口径一定的透镜组合，判断，判断确定的轴上物点位置确定的轴上物点位置的孔径光阑：的孔径光阑：追迹光线法：追迹光线法：过轴上物点的任一条近轴光线，求其在每个折射过轴上物点的任一条近轴光线，求其在每个折射面的投射高度与实际口径的比值，比值最大的折射面的边框为

12、透面的投射高度与实际口径的比值，比值最大的折射面的边框为透镜组的孔径光阑。镜组的孔径光阑。第15页，共99页，编辑于2022年，星期一将光学系统中所有光学零件的通光孔，分别通过其前面将光学系统中所有光学零件的通光孔，分别通过其前面 的光学零件成像到整个系统的物空间去，入射光瞳必然的光学零件成像到整个系统的物空间去，入射光瞳必然 是其中对物平面中心的张角为最小的一个。是其中对物平面中心的张角为最小的一个。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对入射光瞳必定是对物物面中心的张角最小的一个面中心的张角最小的一个孔径光阑孔径光阑-U第16页，共99页，编辑于2022年，星期一出射光

13、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对出射光瞳必定是对像像面中心的张角最小的一个面中心的张角最小的一个孔径光阑孔径光阑将光学系统中所有光学零件的通光孔，分别通过其后面的将光学系统中所有光学零件的通光孔，分别通过其后面的光学零件成像到整个系统的像空间去，则出射光瞳必然是光学零件成像到整个系统的像空间去，则出射光瞳必然是其中对像平面中心的张角为最小的一个。其中对像平面中心的张角为最小的一个。第17页，共99页，编辑于2022年，星期一 成像张角比较法：成像张角比较法：a.a.将光学系统所有光阑（各个透镜和光圈等），对其前面将光学系统所有光阑（各个透镜和光圈等），对其前面 的光学系统

14、（物空间）成像，求像之大小和位置；的光学系统（物空间）成像，求像之大小和位置；b.b.由物位置（轴上点）向各像边缘、第一个透镜边缘分别由物位置（轴上点）向各像边缘、第一个透镜边缘分别 作连线，求张角最小值即为入瞳，相应的共轭物为孔径作连线，求张角最小值即为入瞳，相应的共轭物为孔径 光阑；光阑；c.c.孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。第18页，共99页，编辑于2022年，星期一例例1：已知物点：已知物点A离透镜离透镜1的距离为的距离为-l1=30mm，透镜，透镜1的通光口径的通光口径D1=30mm,光孔光孔2的直径的直径D2=22m

15、m，像点，像点A离透镜的距离离透镜的距离l1=60mm，透镜与光孔之间距离为透镜与光孔之间距离为d=10mm，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。和出瞳。ABAB12解解：判断孔径光阑：判断孔径光阑：轴上物点的成像张角比较法轴上物点的成像张角比较法1）透镜）透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。2）光孔）光孔2相对于前面透镜成像：相对于前面透镜成像：2第19页，共99页，编辑于2022年，星期一ABAB123）D1，D2对轴上物点对轴上物点A的张角：的张角：D2的的张张角角最最小小，最最能能限限制制轴轴上上物物点

16、点A的的成成像像光光束束，为为入入瞳，即光孔瞳，即光孔2为孔径光阑，为孔径光阑，U2为物方孔径角。为物方孔径角。光光孔孔2后后面面无无透透镜镜，孔孔径径光光阑阑与与出出瞳瞳重重合合，U2为为像像方方孔孔径角。径角。2第20页，共99页，编辑于2022年，星期一(3)(3)孔径光阑位置的安放原则：孔径光阑位置的安放原则：a.a.目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接（光瞳衔接原则）（光瞳衔接原则）；b.b.投影计量光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化；投影计量光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化；c.c.对轴外光束像差校正；对轴外光束像差校正；d.d.各光学元件的口

17、径匹配。各光学元件的口径匹配。第21页，共99页，编辑于2022年，星期一 理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。4、主光线（、主光线（Chief ray）：）：出瞳出瞳 入瞳入瞳孔径光阑孔径光阑定义：定义：离轴物点离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。发出的、通过孔径光阑中心的光线。主光线是主光线是通过孔径光阑通过孔径光阑、并、并参与成像的物光束参与成像的物光束的的中心光线中心光线。第22页，共99页，编辑于2022年，星期一二、视场光阑二、视场光阑 (Field Stops)1 1、视场光阑、视场光阑:定义：定义：在物在物/像面上安放的

18、、限定光学系统成像范围的光阑。像面上安放的、限定光学系统成像范围的光阑。物方视场：能够清晰成像的物面范围；物方视场：能够清晰成像的物面范围；像方视场：相应的能够清晰成像的像面范围；像方视场：相应的能够清晰成像的像面范围；2 2、入射窗与出射窗、入射窗与出射窗入射窗：入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）出射窗：出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）3 3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。第23页，共99页，编辑于2022年，星期一视场

19、光阑视场光阑 限制物平面或物空间范围的光阑称限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑视场光阑。nQ Q1 1Q Q2 2是是视场光阑视场光阑。nQQ1 1QQ2 2为入射窗为入射窗;nQ Q1 1Q Q2 2本本身身也也为为出出射射窗窗。n通通常常设设置置在在系系统统的的实实像像平平面面或或物物平平面面出射光瞳出射光瞳孔径光阑孔径光阑入射光瞳入射光瞳B BA AQ Q1 1Q Q2 2P P1 1P P2 2PP2 2PP1 1PP1 1PP2 2O O1 1PPP PPPO O2 2-U UUU视场光阑视场光阑(出射窗出射窗)入射窗入射窗Q1Q1Q2Q2第24页，共99页，编辑于2022年，星

20、期一孔孔径径光光阑阑出出射射光光瞳瞳入射入射光瞳光瞳AB视场光阑视场光阑入射窗入射窗出射窗出射窗C可见仅仅可见仅仅B B点以内的物点可以被系统成像。点以内的物点可以被系统成像。B B点与入射光瞳中心的连线与光轴的夹角最小。点与入射光瞳中心的连线与光轴的夹角最小。入射窗入射窗对对入射光瞳入射光瞳中心的张角为中心的张角为最小最小的的出射窗出射窗对对出射光瞳出射光瞳中心的张角为中心的张角为最小最小的的视场角视场角孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中心连孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。线决定。第25页，共99页，编辑于2022年，星期一(2)(2)计计算算这这些些像

21、像的的边边缘缘对对入入瞳瞳中中心心的的张张角角大大小小。张张角角最最小小者者即即为入射窗，入射窗对应的光学零件为入射窗，入射窗对应的光学零件视场光阑视场光阑视场光阑视场光阑.入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 ，同时也决定了视，同时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件所成的像即为出射窗，出射窗场边缘点。视场光阑经后面光学零件所成的像即为出射窗，出射窗对出瞳中心的张角即为像方视场角对出瞳中心的张角即为像方视场角 。视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。视场光阑是对一定位置的

22、孔径光阑而言的。确定视场光阑的方法：确定视场光阑的方法：(1)(1)把把孔孔径径光光阑阑以以外外的的所所有有光光孔孔经经前前面面的的光光学学系系统统成成像像到到物物空空间间，确确定入瞳中心位置定入瞳中心位置 (实际上在确定孔径光阑时这一步骤已完成实际上在确定孔径光阑时这一步骤已完成)。第26页，共99页，编辑于2022年，星期一BABO2O1O2PPAP入入射射窗窗出出射射光光瞳瞳孔孔径径光光阑阑入入射射光光瞳瞳孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中心孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。连线决定。线视场线视场线视场线视场:物方线视场为物高的两倍，以物方线视场为物高

23、的两倍，以2y2y表示。像方线视表示。像方线视场为像高的两倍，以场为像高的两倍，以2y2y表示。表示。第27页，共99页，编辑于2022年，星期一减小孔径光阑并不会对视场产生影响减小孔径光阑并不会对视场产生影响孔径光阑的变化孔径光阑的变化孔径光阑孔径光阑BAP1P2O1PPPO2-UU主光线主光线视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光线的限视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光线的限制。制。第28页，共99页，编辑于2022年，星期一例：有一个由三个光学零件组成的光组，透镜例：有一个由三个光学零件组成的光组，透镜O1,其口径其口径D14mmf1=36mm，透镜，透镜O2，其口径

24、，其口径 D212mm，f2=15mm,二透镜间隔二透镜间隔195mm，在离透，在离透镜镜O1右右180mm处设有一光孔处设有一光孔D310mm，物点离，物点离透镜透镜Ol为为-45mm1）求孔径光阑和入瞳出瞳的大）求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的大小和位置求视场光阑和入窗出窗的大小和位置？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第29页，共99页，编辑于2022年，星期一解：光孔解：光孔D3经经O1成像成像在在O1左方与物点重合左方与物点重合AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第30页

25、，共99页，编辑于2022年，星期一透镜透镜O2经经O1成像成像 AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第31页，共99页，编辑于2022年，星期一AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳）求孔径光阑、入瞳、出瞳U1最小，故物镜框最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经是入瞳，也是孔径光阑。它经O2的像为出瞳。的像为出瞳。第32页，共99页，编辑于2022年，星期一AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（2）求视场光阑、入窗、出窗）求视场光阑、入窗、出窗 故

26、光孔故光孔O3为视场光阑，入窗与物平面重合，大小为视场光阑，入窗与物平面重合，大小为为2.5mm2.5mm，出窗在无穷远，出窗在无穷远 32第33页，共99页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 照相系统中的光阑照相系统中的光阑 一、照相机的三个组成部分一、照相机的三个组成部分 镜头、可变光阑（孔径光阑）、感光底片镜头、可变光阑（孔径光阑）、感光底片/暗盒（视场光阑）暗盒（视场光阑）第34页，共99页，编辑于2022年，星期一一、照相系统由三部分组成一、照相系统由三部分组成镜头：将外界景物成像在底片上。镜头：将外界景物成像在底片上。光阑：调节成像光束宽度从而调节光能量。光阑：调节成像光束宽度

27、从而调节光能量。底片架框：确定景物的成像范围。底片架框：确定景物的成像范围。照相机和光阑的作用照相机和光阑的作用第35页，共99页，编辑于2022年，星期一f/1f/1f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64第36页，共99页，编辑于2022年，星期一 轴上物点：轴上物点：孔径光阑在不同孔径光阑在不同 位置，对成像光束宽度的限位置，对成像光束宽度的限 制作用相同：都是光束的中制作用相同：都是光束的中 间部分参与成像。间部分参与成像。轴外物点：轴外物点：孔径光阑孔径光阑在在 不同位置，参与成像光不同位置，参与成像光 束的空间位置不同，成束的

28、空间位置不同，成 像质量不同。像质量不同。轴外光束决定轴外光束决定 孔径光阑的位置孔径光阑的位置假设：透镜口径足够大假设：透镜口径足够大 MNMNAA第37页，共99页，编辑于2022年，星期一光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响第38页，共99页，编辑于2022年，星期一光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响第39页，共99页，编辑于2022年，星期一光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响孔径光阑位置移动，对轴上成像光束并无影响。孔径光阑位置移动，对轴上成像光束并无影响。第40页，共99页，编辑于2022年，星期一光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影

29、响第41页，共99页，编辑于2022年，星期一光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响第42页，共99页，编辑于2022年，星期一光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响第43页，共99页，编辑于2022年，星期一光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响孔径光阑位置移动，对轴外成像光束有明显影响。孔径光阑位置移动，对轴外成像光束有明显影响。孔径光阑位置移动，对轴外成像光束有明显影响。孔径光阑位置移动，对轴外成像光束有明显影响。第44页，共99页，编辑于2022年，星期一1、渐晕现象：、渐晕现象：像平面的像平面的边缘边缘比中间暗比中间暗（离轴物点）（离轴物点）。二、渐晕光

30、阑二、渐晕光阑 （Vignetting stop）第45页，共99页，编辑于2022年，星期一渐晕光阑渐晕光阑第46页，共99页，编辑于2022年，星期一渐晕光阑渐晕光阑第47页，共99页，编辑于2022年，星期一渐晕光阑渐晕光阑第48页，共99页，编辑于2022年，星期一渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑第49页，共99页，编辑于2022年，星期一渐晕光阑渐晕光阑 轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称为轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称为“渐渐晕晕”。该光阑称为该光阑称为该光阑称为该光阑称为“渐晕渐晕渐晕渐晕光阑光阑”，渐晕光阑多为透镜框。，渐晕光阑多为透镜框。渐晕光阑的作用是参

31、与限制轴外点成像光束。渐晕光阑的作用是参与限制轴外点成像光束。第50页，共99页，编辑于2022年，星期一渐晕光阑渐晕光阑“渐晕系数渐晕系数渐晕系数渐晕系数”：第51页，共99页，编辑于2022年，星期一 三、照相系统的光阑总结三、照相系统的光阑总结3 3、感光底片边框，即视场光阑；、感光底片边框，即视场光阑；1 1、根据轴外光束的像质选择孔径光阑位置；、根据轴外光束的像质选择孔径光阑位置；2 2、轴外点成像光束宽度取决于孔径光阑、渐晕光阑均有关；、轴外点成像光束宽度取决于孔径光阑、渐晕光阑均有关；4 4、孔径光阑一般为圆形，视场光阑为圆形或者矩形。、孔径光阑一般为圆形，视场光阑为圆形或者矩形

32、。孔径光阑在物镜中的位置孔径光阑在物镜中的位置第52页，共99页，编辑于2022年，星期一 第三节第三节 望远镜系统中成像光束的选择望远镜系统中成像光束的选择 一、双目望远镜的组成一、双目望远镜的组成 1 1、构成、构成转像转像物镜、目镜的物镜、目镜的共同焦面上共同焦面上第53页，共99页，编辑于2022年，星期一2、光学参数、光学参数视觉放大率：视觉放大率：视场角：视场角：物镜焦距：物镜焦距：目镜焦距：目镜焦距：出瞳直径：出瞳直径：出瞳距离：出瞳距离：望远镜系统简化图望远镜系统简化图与人眼联用与人眼联用,满足满足光瞳衔接原则光瞳衔接原则第54页，共99页，编辑于2022年，星期一目视光学系统

33、的目视光学系统的视角放大率：视角放大率：远处物体经系统所成的像对眼睛张角远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该的正切，与该物体直接对眼睛张角物体直接对眼睛张角 的正切之比。的正切之比。*概念区别：角放大率概念区别：角放大率复习：第二章复习：第二章第55页，共99页，编辑于2022年，星期一3、分划板、分划板 视场光阑视场光阑分划板位于物、目两镜的共同焦面上：分划板位于物、目两镜的共同焦面上：入射窗、出射窗均在无穷远处，入射窗、出射窗均在无穷远处，分别与物、像面重合。分别与物、像面重合。望远镜系统简化图望远镜系统简化图出出瞳瞳入入瞳瞳第56页，共99页，编辑于2022年，星期一hz物hz

34、目hz分1）物镜的左侧）物镜的左侧10mm；2）物镜上；）物镜上；3）物镜右侧）物镜右侧10 mm。2 2、孔径光阑的位置：、孔径光阑的位置：二、望远镜系统中的光束限制二、望远镜系统中的光束限制 1 1、光瞳衔接原则：、光瞳衔接原则：前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。追迹主光线追迹主光线 的投射高度的投射高度第57页，共99页，编辑于2022年，星期一望远镜系统的光阑位置望远镜系统的光阑位置实际系统中，物镜框前后实际系统中，物镜框前后实际系统中，物镜框前后实际系统中，物镜框前后10mm10mm10mm10mm左右放置孔径光阑；分划板左右放置孔径光阑；分划板

35、为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳距离为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳距离lz6mmlz6mmlz6mmlz6mm第58页，共99页，编辑于2022年，星期一hz物hz目hz分1 1）光阑在物镜的左侧）光阑在物镜的左侧10mm10mm（=4.25=4.25）：）：正切计算法正切计算法第59页，共99页，编辑于2022年，星期一2）光阑在物镜上：）光阑在物镜上：正切计算法正切计算法第60页，共99页，编辑于2022年，星期一3 3）光阑在物镜右侧）光阑在物镜右侧10mm10mm：正切计算法正切计算法第61页，共99页，编辑于2022年，星期一三、望远镜系统光束限制的总结三、望远

36、镜系统光束限制的总结1 1、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则；、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则；2 2、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于6mm6mm；4 4、分划板就是视场光阑。、分划板就是视场光阑。3 3、孔径光阑大致在物镜左右；、孔径光阑大致在物镜左右；4 4、光阑位置对轴外光束位置的选择、光阑位置对轴外光束位置的选择(1)(1)(2)(3)(3)(2)第62页，共99页，编辑于2022年，星期一 第四节第四节 显微镜系统中的光束限制和分析显微镜系统中的光束限制和分析 一、简单显微镜系统中的光束限制一、简单显微镜系统中的光束限制

37、1、显微镜系统的构成显微镜系统的构成第63页，共99页，编辑于2022年，星期一二、远心光路二、远心光路 1、孔径光阑在物镜上、孔径光阑在物镜上(a)(a)测距原理：测距原理：(b)(b)调焦不准：调焦不准：2)2)由于调焦不精确，引由于调焦不精确，引 起像平面和标尺平面起像平面和标尺平面 不重合，从而导致测不重合，从而导致测 量误差。量误差。1)1)入瞳与物镜边框重合；入瞳与物镜边框重合；第64页，共99页，编辑于2022年，星期一2、孔径光阑在物镜、孔径光阑在物镜 的像方焦平面上的像方焦平面上1)入瞳位于物方无穷远。入瞳位于物方无穷远。2)A和和A1、B和和B1的主光的主光线分别重合，且轴

38、外线分别重合，且轴外点的主光线平行于主点的主光线平行于主轴。轴。3)主光线是物点成像光束主光线是物点成像光束的中心轴，则物点的中心轴，则物点A1 B1在刻尺平面构成的两个在刻尺平面构成的两个弥散斑的弥散斑的中心间隔中心间隔始终始终不变。不变。物方远心光路物方远心光路(a)测距原理：测距原理：(b)调焦不准：调焦不准：第65页，共99页，编辑于2022年，星期一2022/10/466CCD偏左偏左CCD偏右偏右没没有有远远心心镜镜头头加加上上远远心心镜镜头头第66页，共99页，编辑于2022年，星期一三、场镜的应用三、场镜的应用 缺点：出射缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径主光线

39、的投射太高，要求物镜后面系统的口径 必须非常大。必须非常大。-1-1透镜转像系统：加长光路。透镜转像系统：加长光路。1 1、长光路显微镜系统、长光路显微镜系统第67页，共99页，编辑于2022年，星期一 2、降低主光线，减小后续光路口径的办法、降低主光线，减小后续光路口径的办法-1-1转像系统转像系统 场镜：场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。效果：效果：主光线经场镜后通过主光线经场镜后通过-1-1转像透镜中心，转像透镜中心，从而对后面系统的口径要求最小。从而对后面系统的口径要求最小。场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。场镜起到使前后系统的光瞳衔接

40、的作用。实际设计：实际设计：在在-1-1转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。第68页，共99页，编辑于2022年，星期一2022/10/469ABBA前组前组后组后组(a)AB后组后组前组前组场镜场镜这种和像平面重合，或很靠近像平面的透镜称为这种和像平面重合，或很靠近像平面的透镜称为场镜场镜。第69页，共99页，编辑于2022年，星期一场镜的应用场镜的应用第70页，共99页，编辑于2022年，星期一四、显微镜系统光束选择的总结四、显微镜系统光束选择的总结1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；4、长光路显微镜系统：、长光路显微镜系统

41、：利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，减小光学零件尺寸。减小光学零件尺寸。2、一次实像面处安放视场光阑；、一次实像面处安放视场光阑；3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上 物方远心光路物方远心光路第71页，共99页，编辑于2022年，星期一第五节第五节 光学系统的景深光学系统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第72页，共99页，编辑于2022年，星期一一、光学系统的空间像一、光学系统的空间像1、平面上的空间像：、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。空间点成像于一个像平面上。对准平面对准平面景像平面景像

42、平面共轭共轭第73页，共99页，编辑于2022年，星期一 以以入瞳中心入瞳中心为投影中心，以各空间点的为投影中心，以各空间点的主光线主光线为投影方向，为投影方向，向向对准平面对准平面投影，对应投影点在景象平面上的投影，对应投影点在景象平面上的共轭点共轭点即为空间点即为空间点的平面像。的平面像。平面上的空间像的获得：平面上的空间像的获得：对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。弥散斑的直径与弥散斑的直径与入瞳直径入瞳直径、与景象平面的距离与景象平面的距离有关。有关。或：在像空间以或：在像空间以出瞳中心出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的主光线为投

43、影中心，仍以各空间点的主光线为投影方向，各空间像点向为投影方向，各空间像点向景象平面景象平面投影，可得空间点的平面像。投影，可得空间点的平面像。第74页，共99页，编辑于2022年，星期一2、透视失真、透视失真 投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。第75页，共99页，编辑于2022年，星期一3、景像畸变、景像畸变 锥状光束在景像平面上的投影随光束轴线的倾角不同而变化锥状光束在景像平面上的投影随光束轴线的倾角不同而变化,导致景导致景象与景物不成比例的现象象与景物不成比例的现象.球状物体对应的所有主线形成球状物体对应的所有主线形成锥状光束锥状光束

44、,其共轭光束亦为其共轭光束亦为锥状光束锥状光束.显然显然,不同轴线倾角不同轴线倾角的锥状光束在的锥状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.由由光轴至光轴至边缘边缘,投影由圆形变成椭圆形投影由圆形变成椭圆形,且且椭偏度逐渐增大椭偏度逐渐增大.第76页，共99页，编辑于2022年，星期一 二、光学系统的景深二、光学系统的景深 成像空间的景深：成像空间的景深：在景象平面上所获得的成清晰像的在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度物空间深度。远景远景平面平面近景平面近景平面入瞳中心：入瞳中心：物空间参数物空间参数的起算原点的起算原点 出瞳中心：出瞳中心：像空间像空间参数参数的起算

45、原点的起算原点第77页，共99页，编辑于2022年，星期一对准对准平面的弥散斑直径：平面的弥散斑直径：景像景像平面的弥散斑直径：平面的弥散斑直径：由相似三角形得：由相似三角形得：两个因素：观测距离、极限分辨角两个因素：观测距离、极限分辨角第78页，共99页，编辑于2022年，星期一 正确透视距离：正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的张角，观察距离满足照片上各点对人眼睛的张角，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。眼睛眼睛以下推导以下推导不考虑正负号不考虑正负号以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：以照相机为例，分析人眼看照片认

46、为是清晰图像的情况：第79页，共99页，编辑于2022年，星期一对准平面上对应弥散斑的允许值：对准平面上对应弥散斑的允许值：远景、近景到对准平面的距离：远景、近景到对准平面的距离：远景、近景到入瞳的距离：远景、近景到入瞳的距离：景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值第80页，共99页，编辑于2022年，星期一总成像深度总成像深度景深景深物方孔径角物方孔径角U：轴上物点：轴上物点-入瞳边缘连线与光轴的夹角。入瞳边缘连线与光轴的夹角。眼睛眼睛2a第81页，共99页，编辑于2022年，星期一例：照相机的原理图例：照相机的原理图第82页，共99页，编辑于2022年，星

47、期一光圈大小对于景深的影响光圈大小对于景深的影响第83页，共99页，编辑于2022年，星期一对于对于固定焦距和拍摄距离固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大，使用光圈越小，景深越大第84页，共99页，编辑于2022年，星期一n孔径光阑孔径光阑光圈光圈相对孔径相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之比入瞳直径与焦距之比)第85页，共99页，编辑于2022年，星期一例例1：现有一照相机，其物镜：现有一照相机，其物镜f=75mm，现现以常以常摄摄距离距离p=3m进进行拍行拍摄摄，光圈的，光圈的相相对对孔径孔径D/f(入瞳直径与焦距之比入瞳直径与焦距之比)分分别别采用采用1/3.5和和1/22，试试分分别

48、别求其景深。求其景深。解：解：第86页，共99页，编辑于2022年，星期一F/3.5不同光圈的效果不同光圈的效果F/11F/32第87页，共99页，编辑于2022年，星期一1 1、使、使对准平面前的整个空间对准平面前的整个空间都能在景像平面上成清晰像：都能在景像平面上成清晰像：即，远景深度：即，远景深度：三、特例三、特例景深：自入瞳前距离景深：自入瞳前距离a/处的平面起至无限远。处的平面起至无限远。（对准平面）（对准平面）近景位置：近景位置：第88页，共99页，编辑于2022年，星期一 2、照相物镜、照相物镜调焦到无限远调焦到无限远：END4景深：自入瞳前距离景深：自入瞳前距离2a/处的平面起

49、至无限远。处的平面起至无限远。（对准平面）（对准平面）近景位置：近景位置：第89页，共99页，编辑于2022年，星期一（一）长景深的照片（一）长景深的照片第90页，共99页，编辑于2022年，星期一第91页，共99页，编辑于2022年，星期一第92页，共99页，编辑于2022年，星期一第93页，共99页，编辑于2022年，星期一（二）短景深照片（二）短景深照片第94页，共99页，编辑于2022年，星期一第95页，共99页，编辑于2022年，星期一第96页，共99页，编辑于2022年，星期一第97页，共99页，编辑于2022年，星期一作作 业业第98页，共99页，编辑于2022年，星期一r1r2r3sldL1L2DDQ1.图中L1，L2是两个会聚透镜，Q是物点，DD是光阑，已知焦距f1=2a，f2=a，图中标示各距离为s=10a，l=4a，d=6a，此外透镜与光阑半径之比为r1=r2=3r3，求此光具组的孔径光阑、入射光瞳、出射光瞳、入射窗和视场光阑的位置和大小。2.已知=0.00029rad,对准平面P=10m，设照相物镜光圈数F2.8，试求焦距f 为56mm时的景深情况。第99页，共99页，编辑于2022年，星期一