几何光学第九讲优秀PPT.ppt
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1、几何光学第九讲第1页,本讲稿共67页4 光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制任何成像光学系统,均需要满足一系列根据使用要求提出的条件。首先,使物体在给定共轭距上成要求倍率的像,由此决定了光学系统的轴向尺寸,这就是我们前面讨论的物像位置关系。第2页,本讲稿共67页4 光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制其次,系统还要具有要求的成像范围,所成的像还应具有一定的光度水准,并能反映物体的微细结构,前者规定了成像的线视场或视场角,后者与成像光束的孔径角有关,也就是说,光学系统应对于要求成像范围内的物点,以要求孔径角的光束成像。这实质上是一个如何确定光学零件的横向尺寸或通光孔径,从而给通过光学系统
2、的光束以合理限制的问题。第3页,本讲稿共67页4 光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制因此,在每个光学仪器内都有一些限制光束通过仪器的障碍物,在仪器内除了个别的透镜框以外,有时候还必须安装一些带孔的平板形状的不透光的特殊障碍物,这些孔的中心在系统光轴上,它们同样有限制光束的作用。所有这些对通过光学系统的光束起限制作用的光孔统称为光阑。第4页,本讲稿共67页4.1、光阑概述、光阑概述一、照相系统的组成二、光阑的概念三、孔径光阑三、孔径光阑四、视场光阑四、视场光阑五、渐晕现象与渐晕光阑五、渐晕现象与渐晕光阑六、结论六、结论第5页,本讲稿共67页一、照相系统的组成:镜头:将外界景物成像在底片上。
3、光圈:调节成像光束宽度从而调节光能量和象质。(适应不同的照相条件)可变光阑不在镜头上,由专门的金属框充当。孔径光阑限制成像光束口径底片架框(感光胶片):确定景物的成像范围。视场光阑限制成像范围 普通照相系统由照相物镜L、可变光阑A和感光底片B三个部分组成。照相物镜将景物成像在感光底片上。第6页,本讲稿共67页一、照相系统的组成:可变光阑是一个开口大小可变的圆孔,随着可变光阑缩小或增大,参与成像的光束宽度就减小或加大,从而达到调节光能量以适应外界不同的照明条件。这个可变光阑就是孔径光阑。成像范围则是由感光底片框的大小确定的,超出底片框的范围,光线被遮拦,底片不能感光。此时,底片框就是视场光阑。第
4、7页,本讲稿共67页二、光阑的概念1、光阑:光学系统中用以限制光束的光孔(透镜的镜座、照相机的光圈、专门设置的其他光孔)统称为光阑第8页,本讲稿共67页2、光阑的分类:光阑对光束的限制作用主要体现在改善成像质量、决定光能、拦截杂散光等方面。根据其所起作用的不同,光阑可以分为孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑和消杂光光阑等四种。其中,孔径光阑和视场光阑孔径光阑和视场光阑是光学系统必不可少的两种最重要的光阑,前者用于限制通过光学系统的成像光束,后者用于限制成像范围。第9页,本讲稿共67页2、光阑的分类 1)孔径光阑限制成像光束口径(立体角)的光阑有效光阑(光能、像质、分辨率)2)视场光阑限制成像范围的光
5、阑第10页,本讲稿共67页3)渐晕光阑拦截部分轴外点成像光束,产生“渐晕”现象(像面边缘比中心暗)为减小系统中光学零件的口径而设置透镜边框,拦截成像质量不好的光束(能量弱),不使其到达像面远轴光线球差大,将其拦截掉 第11页,本讲稿共67页4)消杂光光阑光学系统中限制杂光的光阑杂光:非成像光束非成像物点进入系统的光束(由折射面或仪器内壁反射产生的光束)杂光使像面产生明亮的背景、降低像的对比度,故加以限制设置情况:重要仪器:需要专门设置(天文望远镜、长焦距平行光管)一般仪器:工艺处理将镜筒加工成螺纹并发黑(涂黑色无光漆或煮黑)第12页,本讲稿共67页重要提示重要提示实际光学系统:参与成像的光束宽
6、度和成像实际光学系统:参与成像的光束宽度和成像范围有限。所有光学系统与照相系统一样,范围有限。所有光学系统与照相系统一样,至少有两类光阑:至少有两类光阑:孔径光阑孔径光阑限制成像光束口径限制成像光束口径孔孔阑阑视场光阑视场光阑限制成像范围限制成像范围视阑视阑第13页,本讲稿共67页三、孔径光阑三、孔径光阑1、孔径光阑定义及其作用、孔径光阑定义及其作用 定义:定义:用来限制成像光束立体角的光阑称为孔径光阑,用来限制成像光束立体角的光阑称为孔径光阑,简称孔阑简称孔阑 作用:作用:1)决定通过光学系统的光能量-像面照度。照相时调节光圈,就是调节孔径光阑的大小,从而起到改变曝光量的目的。2)决定光学系
7、统的分辨率(光学像反映物体微细结构的程度)。由衍射理论可知,系统分辨率与光束的孔径成正比。决定了。第14页,本讲稿共67页1、孔径光阑定义及其作用、孔径光阑定义及其作用3)孔径光阑对轴上点和轴外点成像光束均有限制作用。如果改变孔径光阑的位置,需要同时改变其大小才能起到相同的限制作用。孔径光阑对轴上点成像光束的限制作用孔径光阑对轴上点成像光束的限制作用-光束对称 第15页,本讲稿共67页孔径光阑对于轴外点成像光束的限制作用 对于轴外点成像光束来说,孔径光阑的位置不同,参与成像的轴外光束不一样,轴外光束通过透镜的部位也不一样,需要通过全部成像光束的透镜口径大小也就不一样。光阑位置的改变可以影响轴外
8、点的成像质量。从这一点来看,孔径光阑的位置是由对轴外光束的要求决定的。光束选择 第16页,本讲稿共67页2、孔径光阑的确定方法与设置原则孔径光阑的位置确定是针对某特定的轴上物点而言。将光学系统中所有光学零件的光孔,分别对其前面的光组成像,对某一确定的轴上物点张角最小的那个像所对应的光孔就是孔径光阑,这个像就是入瞳。如果一个光学系统对无穷远物体成像,则要看系统中所有光孔被其前面光组所成像中何者直径最小。第17页,本讲稿共67页1)将所有光孔对前面光组成像,对物体中心张角最小的像所对应的光孔就是孔径光阑,这个像即是入瞳最小入口2)孔阑对特定位置而言;当物体位置放生变化,孔阑的位置发生相应变化,否则
9、被其他光孔所替代。所以,照相系统中的孔阑为可变光孔。相对于特定的参考点3)一个系统中有且只有一个孔阑,其位置由轴外光束的限制要求确定2、孔径光阑的确定方法与设置原则第18页,本讲稿共67页2、孔径光阑的确定方法与设置原则一般而言,孔径光阑的位置是根据是否有利于缩小系统外形尺寸、镜头结构设计、使用方便,尤其是否有利于改善轴外点成像质量等因素来考虑的,它的大小则由轴上点所要求的孔径角来决定。最后,按所确定的视场边缘点的成像光束和轴上点的边缘光线无阻拦的通过的原则来确定系统中各个透镜和其他光学零件的通光直径。第19页,本讲稿共67页3、孔径光阑的像孔径光阑的像-入瞳、出瞳的定义及其与孔径光阑的共轭关
10、系1)入瞳:入射光束的入口孔阑经过前面系统在物空间所成的象当孔阑位于最前面,入瞳就是孔阑本身;2)出瞳:出射光束的出口孔阑经过后面系统在像空间所成的象当孔阑位于最后面,出瞳就是孔阑本身;第20页,本讲稿共67页3)共轭关系:)共轭关系:入瞳出瞳:整个系统入瞳孔阑:前面系统出瞳孔阑:后面系统第21页,本讲稿共67页-y-UPP1P2PP1P2UyQQ2Q出射光瞳出射光瞳入射光瞳入射光瞳孔径光阑孔径光阑L1L2U 物方孔径角物方孔径角U 像方孔径角像方孔径角第22页,本讲稿共67页4)主光线:)主光线:轴外点光束物面上各点成像光束的光束轴通过入瞳、孔阑、出瞳 第23页,本讲稿共67页四、视场光阑1
11、、视场光阑的定义及其作用 任何光学系统都能对系统光轴周围的空间成像,这就是该系统所可能有的视场。一般来说,这个视场应大于对系统所要求的成像视场。也就是说光学系统能够清晰成像的范围是有限的。第24页,本讲稿共67页1、视场光阑的定义及其作用 因此,需要在光学系统像平面或其共轭面上放置光阑,以此来获得清晰的视场。这种限制物平面或物空间能被系统成像的最大范围的光阑称为视场光阑,简称视阑,它决定了光学系统的视场。在进行光学系统设计时必须保证在所限制的视场内有满意的成像质量和足够的光照度,以便能为接收器所接收。第25页,本讲稿共67页1、视场光阑的定义及其作用 如果有接收面,则接收面的大小直接决定了物面
12、上有多大的范围能被成像。因此,在成实像或有中间实像的系统中必有位于此实像平面上的视场光阑,此时有清晰的视场边界。第26页,本讲稿共67页1、视场光阑的定义及其作用一般情况下,视场光阑必须和系统的实像平面重合,或者和实像平面接近,才能使系统具有清晰的视场边界。例如,照相机的底片框、开普勒望远镜中的分划镜框、在显微物镜成像平面上装置专门的视场光阑等。第27页,本讲稿共67页1、视场光阑的定义及其作用当物体位于有限距离时,可使视场光阑和物平面重合限定物方视场,也可以把视场光阑置于像平面限定像方视场。当物体在无限远时,只能在物镜的像平面(即后焦平面)上设置视场光阑。光学系统只能有一个视场光阑,并且是不
13、同于孔径光阑的光孔。第28页,本讲稿共67页1、视场光阑的定义及其作用在特殊情况下,系统中没有实像平面,也没有中间实像面,无法按上述要求设置视场光阑,视场也没有清晰的边界。例如伽利略望远镜,没有实像平面,随着视场角的加大,渐晕的增加,光束口径逐渐减小,最后消失,视场边缘存在一个由亮到暗的过渡区域,但没有清晰的边界。第29页,本讲稿共67页2、入窗与出窗入窗:视阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像。入窗:视阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像。出窗:视阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像。出窗:视阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像。入窗、视阑、出
14、窗三者是互相共轭的,且出窗是入窗经整个系统后所成的像。共轭关系:入窗出窗:整个系统入窗视阑:前面系统出窗视阑:后面系统第30页,本讲稿共67页3、视场光阑的确定方法对于给定的光学系统,在众多光孔中确定视场光阑的方法如下:首先将仪器中所有光阑(包括透镜边框)经其前方(或后方)系统成像,然后从系统的入瞳(或出瞳)中心向前述所有光阑像的边缘作连线,与其中张角最小的光阑像为入窗(或出窗),与其共轭的实际光阑即为视场光阑。第31页,本讲稿共67页4、视场的两种表示方法:视场:能够清晰成像的物空间的范围视场:能够清晰成像的物空间的范围 视场角和线视场当物体在无限远时,一般用角度来度量视场大小,称为视场角。
15、物方视场角物方视场边缘点,即入窗的边缘对入瞳中心的张角称为物方视场角;或物体边缘对入射光瞳中心的张角像方视场角像方视场边缘点,即出窗的边缘对出瞳中心的张角称为像方视场角。或像的边缘对出射光瞳中心的张角视角放大率的定义:第32页,本讲稿共67页线视场:线视场:线视场:线视场:观察到物体的直径(有限距离的物体成像)y=yy像方线视场放大倍率y物方线视场第33页,本讲稿共67页线视场:线视场:当物体在有限远时,习惯用所观察到的物体的直径来表示视场的大小,即用长度来度量,称为线视场。如果视场光阑为长方形或正方形,其线视场按对角线计算。物方视场为物高的两倍,以2y表示;像方线视场为像高的两倍,用2y表示
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