第三章光学系统中的光束限制(精品).ppt

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1、工工 程程 光光 学学信息科学与技术学院信息科学与技术学院授课教师：王授课教师：王 颖颖第三章第三章 光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制由于成像理论的完善，构成了许多在科学技术和国民经济中由于成像理论的完善，构成了许多在科学技术和国民经济中得到广泛应用的光学系统，本章主要介绍摄像系统和望远系得到广泛应用的光学系统，本章主要介绍摄像系统和望远系统。统。实际光学系统和理想光学系统不同，必须限制参与成像的光实际光学系统和理想光学系统不同，必须限制参与成像的光束宽度和成像范围以保证成像质量。其限制来自光学零件尺束宽度和成像范围以保证成像质量。其限制来自光学零件尺寸大小。光学系统不同，参与成像的光

2、束位置和宽度要求不寸大小。光学系统不同，参与成像的光束位置和宽度要求不同。同。1.照相系统和光束限制照相系统和光束限制2.光学系统的景深光学系统的景深3.望远镜系统及光束的选择望远镜系统及光束的选择4.显微镜系统中光束的限制与选择显微镜系统中光束的限制与选择单镜头反光照相机单镜头反光照相机（SLR)3.1 照相系统照相系统一、摄影系统的组成一、摄影系统的组成 由摄影物镜和感光元件组成。二、摄影系统的光学特性参数二、摄影系统的光学特性参数 焦距f，相对孔径D/f，视场角2，景深。焦距决定成像的大小；相对孔径决定像面照度；视场决定成像范围。1.视场n影响因素：影响因素：焦距，接收器尺寸n像的大小与

3、焦距的关系像的大小与焦距的关系：照像系统的基本结构照像系统的基本结构照相系统的基本结构图照相系统的基本结构图由照相镜头、可变光阑和感光底片组成由照相镜头、可变光阑和感光底片组成 在拍摄远处物体时，像的大小为：在拍摄近处物体时，像的大小为：n普通照相机标准镜头的焦距为50mm镜头的焦距与像的大小镜头的焦距与像的大小1.像的大小像的大小增大像距增大像距放大图像放大图像在镜头与相机之间在镜头与相机之间加接圈增加像距加接圈增加像距 2.视场n影响因素：影响因素：焦距，接收器尺寸 当接收器的尺寸一定时，物镜的焦距越短，则其视场角越大，焦距越长，视场角越小。3.分辨率分辨率n影响因素：影响因素：物镜的分辨

4、率和接收器的分辨率n分辨率的度量分辨率的度量以像平面上每毫米内能分辨开的线对数Cy/mm表示。n经验公式经验公式：n理论分辨率：理论分辨率：n光圈数：光圈数：物方最大视场角物方最大视场角物镜分辨率物镜分辨率接收器分辨率接收器分辨率视场和焦距的关系视场和焦距的关系三、照像系统的光束限制三、照像系统的光束限制光阑光阑：限制成像光束的光孔或限制成像范围的光孔或框，分限制成像光束的光孔或限制成像范围的光孔或框，分为视场光阑和孔径光阑。为视场光阑和孔径光阑。孔径光阑孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束的光孔口径的光阑。限制进入光学系统的成像光束的光孔口径的光阑。视场光阑：视场光阑：限制成像范围的光阑。限

5、制成像范围的光阑。不同的光学系统，由于对成像要求不同，其对光不同的光学系统，由于对成像要求不同，其对光束的约束也不同，光阑在光学系统中的位置会不束的约束也不同，光阑在光学系统中的位置会不同。同。孔径光阑的位置对光束的选择孔径光阑的位置对光束的选择孔径光阑对轴上点光束的限制孔径光阑对轴上点光束的限制孔径光阑的位置对轴上孔径光阑的位置对轴上点光束宽度成像无限制点光束宽度成像无限制孔径光阑的位置对光束的选择孔径光阑的位置对光束的选择孔径光阑对轴外点光束的限制孔径光阑对轴外点光束的限制孔径光阑位置对轴外点的光孔径光阑位置对轴外点的光束宽度的成像产生较大影响束宽度的成像产生较大影响MMNNMN 渐晕、渐

6、晕光阑及渐晕系数渐晕、渐晕光阑及渐晕系数透镜的边框起到透镜的边框起到“拦光拦光”的作用即渐晕光阑的作用即渐晕光阑渐晕系数：渐晕系数：入瞳和出瞳入瞳和出瞳孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间成的像称为入瞳入瞳，它是入射光束的入口孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统物空间成的像称为出瞳出瞳，它是出射光束的出口入瞳和出瞳视场光阑及入射窗、出射窗视场光阑及入射窗、出射窗视场光阑经其前面的光组在物空间所成的像，称为光学系统的入射窗视场光阑经其后面的光组在物空间所成的像，称为光学系统的出射窗。孔径光阑在组合透镜中的位置孔径光阑在组合透镜中的位置四、四、光学系统的景深光学系统的景深一、一、空间

7、的物点成像空间的物点成像2.光瞳和视场对成像的影响光瞳和视场对成像的影响二、光学系统的景深二、光学系统的景深3.3.正确透视条件正确透视条件4.光学系统的景深光学系统的景深1.概念：概念：景深景深：成像清晰的空间深度 远景深度：远景深度：远景平面距对准平面的距离 近景深度：近景深度：近景平面距对准平面的距离2.2.景深公式：景深公式：由由相似三角形关系得：由相似三角形关系得：由此得：由此得：由：由：景深和焦距及孔径光阑的关系景深和焦距及孔径光阑的关系景深和焦距以及入瞳直径有关系景深和焦距以及入瞳直径有关系拍摄距离和光圈数影响景深拍摄距离和光圈数影响景深孔径光阑越小景深越大孔径光阑越小景深越大3

8、.像面照度像面照度n物体在无限远时，0，则：n对大视场物镜有：调节曝光量，改变成像质量调节曝光量，改变成像质量二、二、孔径光阑孔径的调节孔径光阑孔径的调节三、摄影物镜的类型三、摄影物镜的类型1.像差校正要求像差校正要求：大视场，大相对孔径需要校正轴外点和轴上点像差2.基本类型介绍基本类型介绍n普通摄影物镜，大相对孔径摄影物镜n广角摄影物镜；远摄物镜n变焦距物镜n变焦比：n焦距为：天天塞塞物物镜镜双双高高斯斯物物镜镜广广角角物物镜镜远远摄摄物物镜镜变变焦焦物物镜镜四、照相光学系统小结四、照相光学系统小结n照相光学系统中根据照相光学系统中根据轴外光束的像质轴外光束的像质来选择孔径光阑的位来选择孔径

9、光阑的位置，大致位置在物镜的某个空气间隔中。置，大致位置在物镜的某个空气间隔中。n在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅仅由孔径光阑的在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅仅由孔径光阑的口径确定，而且还和渐晕光阑的口径有关。口径确定，而且还和渐晕光阑的口径有关。n在照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。在照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。n孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或矩形等。矩形等。3.2 望远系统望远系统一、望远系统的结构一、望远系统的结构一、望远系统的基本结构一、望远系统的基本结构n光学数据视角放大率:视场

10、角:2出瞳直径:D出瞳距离lz物镜焦距:f物目镜焦距:f目二、望远系统的光学参数二、望远系统的光学参数1.视觉放大率视觉放大率 望远镜的视角放大率与物体的位置无关，仅取决于望远系望远镜的视角放大率与物体的位置无关，仅取决于望远系统的结构，欲增大视角放大率，必须增大物镜的焦距或减统的结构，欲增大视角放大率，必须增大物镜的焦距或减少目镜的焦距，但目镜的焦距少目镜的焦距，但目镜的焦距不小于不小于6mm，使得望远系统使得望远系统保持一定的出瞳距。保持一定的出瞳距。n望远系统的分辨率：望远系统的分辨率：按瑞利判断：按瑞利判断：按道威判断：按道威判断：即入射光瞳直径即入射光瞳直径D越大，极限分辨率越高越大

11、，极限分辨率越高n视觉放大率和分辨率的关系视觉放大率和分辨率的关系n有效放大率：有效放大率：满足分辨要求的最小视觉放大率满足分辨要求的最小视觉放大率n工作放大率：工作放大率：n分辨角分辨角 2.望远系统的分辨率望远系统的分辨率艾里斑半径艾里斑半径1.开普勒望远镜：开普勒望远镜：物镜框是孔径光阑、分划板是视场光阑、出瞳、入瞳、目镜框是渐晕光阑 物方视场角为：视场角2一般不超过152.伽利略望伽利略望远镜 瞳孔为孔径光阑，物镜框为视场光阑 渐晕当视场为50渐晕（K=50%）时，其视场角 最大视场（渐晕系数K0）视觉放大率视觉放大率视视 场场3.望远镜的视场望远镜的视场开普勒望远镜开普勒望远镜伽利略

12、望远镜伽利略望远镜2.其它形式的望远系统其它形式的望远系统 三、望远系统中的光束限制三、望远系统中的光束限制n光瞳衔接原则：前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合。n孔径光阑在不同位置处的计算 1)物镜左侧10mm 2)物镜上 3)物镜右侧10mmn孔径光阑处于不同位置时光束的成像三、望远光学系统小结三、望远光学系统小结n两个光学系统连用时，一般应满足光瞳衔接原则n目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mmn望远光学系统的孔径光阑大致在物镜左右孔径光阑大致在物镜左右n可放分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。3.3 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一、简

13、单显微镜系统的光束限制一、简单显微镜系统的光束限制n远心光路二、场镜的应用二、场镜的应用n场镜n场镜的作用：压低光线，减小后续光阑光瞳直径三、显微镜光学系统小结三、显微镜光学系统小结n一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微镜上，一次实像面处安置系统的视场光阑。n显微系统用于测长等目的时，为了消除测量误差，孔径光阑安放在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远心光路”n在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径。二、光学系统的景深二、光学系统的景深4.例题例题 设设 入射光瞳直径为入射光瞳直径为 当把对准平面调焦在当把对准平面调焦在无穷远处时，求近景位置，若使远景平面无限远，求对准平面和近景无穷远处时，求近景位置，若使远景平面无限远，求对准平面和近景位置。若使位置。若使 求远景和近景的深度和位置。求远景和近景的深度和位置。3.5 光束限制的应用举例光束限制的应用举例编码计数型开关编码计数型开关脉冲测距仪脉冲测距仪本章小结本章小结1.照相系统的结构，掌握视场光阑，孔径光阑、如照相系统的结构，掌握视场光阑，孔径光阑、如瞳，出瞳的概念，以及照相程序系统对光阑位置瞳，出瞳的概念，以及照相程序系统对光阑位置的要求的要求2.望远系统的望远系统的 基本结构和视场放大率基本结构和视场放大率3.显微镜系统的基本形式显微镜系统的基本形式4.景深的概念和计算景深的概念和计算