《工程光学教学课件》第04章

1,第4章 光学系统中的光束限制,光阑 照相系统中的光阑 望远系统中成像光束的选择 显微镜系统中的光束限制与分析 光学系统的景深,2,本章重点,孔径光阑、视场光阑的确定方法 远心光路 景深,3,光阑：构成光具组的各种光学元件的边框或一些开孔屏，对成像光束的截面和空间立体角的大小等起到一定限制作用。,光阑的作用：通过限制光具组的光束孔径和视场，影响着光具组成像的像差、像的亮暗、景深、分辨本领及空间范围等。,光阑的类型：孔径光阑，视场光阑,4,孔径光阑,限制轴上物点光束宽度的光孔，也称为“有效光阑”,P1P2是孔径光阑,主要用于控制成像面的光能！,1、孔径光阑的定义与作用,孔径光阑同时具有选择轴外物点成像光束的位置作用,5,孔径光阑,2、入射光瞳和出射光瞳,P1P2孔径光阑经前方光学系统所成的像 P'1P'2称为入射光瞳，简称入瞳，入瞳边缘对物点A的张角称为物方孔径角2U,当孔径光阑前方无光学系统，则孔径光阑就是入瞳。,6,孔径光阑,2、入射光瞳和出射光瞳,P1P2孔径光阑经后方光学系统所成的像 P”1P”2称为出射光瞳，简称出瞳，出瞳边缘对像点A的张角称为像方孔径角2U,当孔径光阑后方无光学系统，则孔径光阑就是出瞳。,7,通过入瞳中心的光线称为主光线，也通过孔径光阑和出射光瞳中心,是各个物点发出的成像光束的光束轴线。,8,光瞳图,光瞳图,边沿光线,主光线,9,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,孔径光阑是针对轴上物点定义的，物平面发生变更，孔径光阑将有可能易主。,10,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,首先，将系统中所有元件的光孔成像到物空间，用计算方法确定其位置和大小 。,第二步，由物面中心A点对各个像的边缘引直线，入射光瞳是其中张角最小者，对应的物为孔径光阑。,孔径光阑的确定方法,11,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,若物体位于无限远，此时仅比较各个像本身的大小，其口径最小者即为入射光瞳。,确定孔径光阑的方法，也可以先确定出射光瞳。,对称于光阑的对称式系统：入射光瞳和出射光瞳的大小和倒正都一样，入瞳和出瞳之间的倍率为+1，入射光瞳面和出射光瞳面分别与光学系统的物方主平面和像方主平面重合。,12,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,入瞳的大小是由光学系统对成像光能的要求或者对物体细节的分辨能力(分辨率)的要求来确定的。常以入瞳直径和焦距之比值来表示， 称为相对孔径，它是光学系统的一个重要的性能指标。,13,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,孔径光阑的安放要遵循一定原则。,对于目视光学系统，出瞳必须在目镜外，便于与其衔接。,在投影计量光学中，要求入瞳或出瞳位于无穷远。,在光学设计时，可以合理设置孔径光阑位置用以校正像差。,可以合理设置孔径光阑的大小来匹配光学镜组之间的能量。,14,视场：能够通过光组清晰成像的物平面空间范围,视场光阑：限制物平面或物空间范围的光阑。,视场光阑,15,视场光阑,限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑。,Q1Q2是视场光阑。 Q'1Q'2为入射窗; Q1Q2本身也为出射窗。 通常设置在系统的实像平面或物平面,Q1,Q2,16,(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最小者即为入射窗，入射窗对应的光学元件为视场光阑.,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 。,视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。,确定视场光阑的方法：,(1)将所有光孔经前面的光学系统成像到物空间，确定入瞳中心位置 (实际上在确定孔径光阑时这一步骤已完成)。,17,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。,线视场:物方线视场为物高的两倍，以2y表示。像方线视场为像高的两倍，以2y'表示。,18,减小孔径光阑并不会对视场产生影响（过入射光瞳中心的主光线也一定过孔径光阑中心。 ）,孔径光阑的变化,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。,19,视场与成像范围,20,例：有一个由三个光学零件组成的光组，透镜O1,其口径D14mmf1=36mm，透镜O2，其口径 D212mm，f2=15mm,二透镜间隔195mm，在离透镜O1右180mm处设有一光孔D310mm，物点离透镜Ol为-45mm1）求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的大小和位置？,21,解：光孔D3经O1成像,在O1左方与物点重合,22,透镜O2经O1成像,在A点右方0.85mm,23,（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳,U1最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经O2的像为出瞳。,24,（2）求视场光阑、入窗、出窗,故光孔O3为视场光阑，入窗与物平面重合，大小为2.5mm，出窗在无穷远。,O1 的像高,O2 的像高,25,作业,如图所示，有一光学透镜组O1,O2的口径D1=D2=50mm,焦距f1=f2=150,两透镜间距为300mm,并在中间置以光孔O3,口径D3=20mm,透镜O2右侧150mm出置一光孔O4,孔径D4=40mm,平面物体处于透镜O1左侧150mm处。1）求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置？2）求视场光阑和入窗出窗的大小和位置？,O4,26,照相系统组成,照相系统中的光阑,27,照相机的光圈数,28,光阑位置对成像光束的影响,29,光阑位置对成像光束的影响,30,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。,31,光阑位置对成像光束的影响,32,光阑位置对成像光束的影响,33,光阑位置对成像光束的影响,34,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。,35,常见照相系统的光阑位置,36,渐晕光阑,37,渐晕光阑,38,渐晕光阑,39,渐晕光阑,40,渐晕光阑,渐晕光阑,41,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“渐晕”。该光阑称为“渐晕光阑”，渐晕光阑多为透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制轴外点成像光束。,42,渐晕光阑,“渐晕系数”：,43,望远镜系统的组成,主要参数：视角放大率，视场角2，出瞳直径D 出瞳距离lz,物镜焦距f物,目镜焦距f目,照相系统中的光阑,44,望远镜系统的光阑位置,简化图中，物镜框为孔径光阑；分划板为视场光阑； 物镜对目镜成的像距即为出瞳距离lz6mm,45,望远镜系统的光阑位置,实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔径光阑；分划板为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳距离lz6mm,46,简单显微系统中的光束限制,显微系统中的光阑,47,远心光路,物方远心光路 像方远心光路,48,物方远心光路,光学仪器中的很大部分仪器用来测量长度。 有一类光学仪器要求以“恒定放大率” 使被测物之像与一刻尺相比，以求得一被测物之长度。,工具显微镜,按工具显微镜的工作台的大小和可移动的距离、测量精度的高低以及测量范围的宽窄，一般分为小型，大型和万能型及重型。它们的测量精度和测量范围不同，但基本结构、测量方法大致相同,49,孔径光阑为物镜镜框的情况,标尺分划板 （实像面）,分划板与物镜距离固定，以确保放大率为常数,因精确聚焦困难，测量误差较大。,设计物面,50,孔径光阑移至物镜镜框后焦平面时的情况,光路特点是入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行于光轴，称为物方远心光路（常用于显微镜测量系统）。,轴外物点光束中心相同,分划板标尺上两个弥散园中心间距不变,51,测量显微镜物方远心光路。,孔径光阑,52,像方远心光路,另一类光学仪器是把标尺放在不同的位置，通过改变光学系统的放大率而使标尺像等于一个已知值，以求得仪器到标尺之间的距离。,经纬仪,53,像方远心光路,这种情况如果孔径光阑仍为物镜框，由于调焦不准，标尺的像不与分划板刻线平面重合，使读数产生误差而影响测量精度。,54,像方远心光路,为消除或减小这种误差，可以在物镜的物方焦平面上设置一个孔径光阑。,55,因为这种光学系统的像方主光线平行于光轴，其会聚中心在像方无限远处，故称为像方远心光路（常用于望远镜测量系统）。,56,场镜的应用,在一些应用中，需要加长光学系统，以满足出瞳的匹配要求。,一种方法是在系统中加入一个放大倍率为-1倍的成像透镜。,在望远系统中，需要采用棱镜转折光路，以缩短光学系统。,57,场镜的应用,这种方法为导致主光线在目镜上的投射高度很高，从而使目镜的口径大大增加。,解决的方法：在物镜的成像面位置放置一个薄透镜。,58,场镜的应用,1转像系统,59,场镜的应用,加入薄透镜不会改变原成像系统的特性。,加入薄透镜也不会改变轴上点光束的行进走向。,这种与像面重合或紧靠像面的薄透镜称为场镜。,场镜具有可以辅助延长光学系统长度且不增大后续透镜的孔径的功能！,60,光学系统的景深,前面讨论的只是在垂直于光轴的平面上点的成像问题，属于这种情况的光学系统有照相制版物镜，电影放映物镜等。实际上，有很多仪器需要把空间中的物点成像在一个像面上，如望远镜和照相机等。这就存在着空间物在平面上成像的清晰度问题。,61,光学系统的空间像,景象平面,对准平面,弥散斑,62,光学系统的空间像,景象平面,对准平面,弥散斑,63,光学系统的空间像,景象平面,对准平面,弥散斑,64,光学系统的空间像,将物空间中的物点在同一个像平面上所成的像称为空间像。,景象平面,对准平面,弥散斑,65,光学系统的空间像,物方空间点成像方法：以入瞳中心点为投影中心，以主光线为投影线，使空间点投影在对准平面上，再成像在景象平面上。,景象平面,对准平面,弥散斑,66,当弥散斑直径小于人眼的鉴别能力，实际像产生的模糊是无法辨认的，可视为清晰像。此时，这个弥散斑称为容许弥散圆。,光学系统的景深,弥散斑,67,在对焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆在物空间对应的物平面之间的距离就叫景深。,68,光圈值发生变化,69,对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大,70,景象平面,对准平面,Z1,Z2 是对准平面弥散斑直径,71,由相似三角形关系可得,远景深,近景深,远近点,72,远景深,近景深,通常容许弥散圆可表示为：,人眼极限分辨角,景 深,73,照相机的光圈数定义为：,影响摄影镜头景深的因素： (1)、镜头光圈数： 光圈数越大，景深越大；光圈数越小，景深越小； (2)、镜头焦距 镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大； (3)、拍摄距离 距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。,74,例：,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。,解1：,由,：,当,解2：,75,第4章作业,1. 设照相物镜的焦距等于75mm,底片尺寸为55mm55mm，求该照相物镜的最大视场角等于多少？ 2. 设照相物镜焦距f75mm，在明视距离观察时容许的弥散斑直径Z0.02175mm,试分析光圈数F2.8、5.6和11时，对于对准平面P=10m的景深情况。,76,作业,3. 如图所示，有一光学透镜组O1,O2的口径D1=D2=50mm,焦距f1=f2=150,两透镜间距为300mm,并在中间置以光孔O3,口径D3=20mm,透镜O2右侧150mm出置一光孔O4,孔径D4=40mm,平面物体处于透镜O1左侧150mm处。1）求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置？2）求视场光阑和入窗出窗的大小和位置？,O4,