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工程光学4-1.ppt

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  • 上传时间:2018-08-05
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    • 第一节 照相系统和光阑Ø 普通照相系统是由三个主要部分组成: 照相镜头、可变光阑、感光底片 第一节 照相系统和光阑l 可变光阑A是一个开口A1A2大小可变的圆孔,随 A1A2缩小或增大,参与成像的光束宽度就减小(相 当于u‘角小)或加大(相当于u’角增大),从而达到调节光能量,以适应外界不同的照明条件 l 成像范围则是由感光底片框B1B2的大小确定的超 出底片框的范围,光线被遮栏,底片就不能感光第一节 照相系统和光阑n 光阑: Ø 在光学系统中,不论是限制成像光束的光孔,或者 是限制成像范围的光孔或框,都统称为“光阑” n 孔径光阑: Ø 限制轴上点或视场中央部分成像光束口径的光阑称 “孔径光阑“ n 视场光阑: Ø 限制成像范围的光阑称为“视场光阑“,孔径光阑的位置对选择光束的作用1 1、轴上点、轴上点 就限制轴上点的光束宽度而言,孔径光阑处于A或者 A'的位置,情况并无差别 孔径光阑的位置对选择光束的作用2、轴外点 对轴外点的成像光束来说,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L的 部位也不一样,需要透过全部成像光束的透镜口径 大小也就不一样,如图孔径光阑的位置对选择光束的作用2、轴外点Ø 以后会知道: 光线的折射情况不一样,其成像质量 就不一样,Ø 这就隐含着光阑位置的变动可以影响轴外点的像质 , Ø 从这个意义上来说,孔径光阑的位置是由轴外光束 的要求决定的。

      入射光瞳:入射光瞳: Ø 孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空 间所成的像称为入射光瞳,简称入瞳, Ø 它是入射光束的入口 出射光瞳:出射光瞳: Ø 孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空 间所成的像称为出射光瞳,简称出瞳,Ø 它是出射光束的出口 Ø 若孔径光阑位于系统的最前边,则系统的入瞳就是 孔径光阑; Ø 若孔径光阑位于系统的最后边则孔径光阑也是系统 的出瞳主光线:主光线: Ø 通过入瞳中心的光线称为主光线Ø 对理想光学系统而言,主光线(或主光线的延长线) 必通过入瞳、孔径光阑和出瞳的中心入射窗:入射窗: Ø 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; 出射窗:出射窗: Ø 视场光阑经其后面的光组在像空间所成的像称为光 学系统的出射窗 Ø 照相机系统,其入射窗在无穷远处;出射窗与视场光 阑B1B2重合 渐晕: Ø 由轴外点发出的充满入瞳的光束中部分光线被其它 光阑遮拦的现象称为轴外点光束的渐晕 Ø 渐晕系数: 被拦掉的那部分光束在入瞳面上的截面 积与入瞳面积之比 孔径光阑的一般确定方法: 第二节 望远镜系统光束限制p望远物镜和目镜是望远系统的基本组成部分,p再加上为了光路转折和转像而加入的反射棱镜等光 学件,p系统中限制光束的情况就比较复杂。

      p如何选择成像光束的问题,直接影响到各个光学零 件尺寸和整个仪器的大小在设计时必须很好地考 虑p下面结合双目望远镜加以说明第二节 望远镜系统光束限制双目望远镜系统构成 望远镜系统简化,把物镜旧镜当作薄透镜处理 ,暂不考虑棱镜并拉直光路,则得图 Ø 一个物镜、 一对转向棱镜、 一个分划板 一组目镜构成Ø 如图 第二节 望远镜系统光束限制p两个光学系统联用共同工作时,大多遵从光瞳衔接 原则, 即前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合,否则会 产生光束切割,前面系统的成像光束中有一部分将 被后面的系统拦截,不再能够参与成像 p双目望远系统是与人眼联用的,人眼的入瞳就是瞳 孔,这样,满足光瞳衔接原则的望远镜系统其出瞳 应该在目镜后,而且应离目镜最后面有段距离, 这 段距离称为出瞳距,用lz'表示, p为了眼晴睫毛不致和目镜最后一个表面相碰而影响 观察,系统的出瞳距不能太短,一般不能短于6mm , p军用仪器,考虑到在加眼罩和戴防毒面具的情况下 仍能观察,出瞳距离一般为2Omm左右 p为满足出瞳在目镜之外的要求,孔径光阑要放在分 划板以左的地方 一般放在物镜附近如物镜左侧 、物镜上、物镜右侧。

      p图给出了在物镜左侧的情况 p视场光阑:分划板框是系统的“视场光阑“ 第三节 显微镜系统中光束限制一、简单显微镜系统中的光束限制p 一般的显微镜由物镜和目镜所组成p 孔径光阑:物镜框p 视场光阑:位于目镜物方焦面上的圆孔光阑或分 划板框,如图 第三节 显微镜系统中光束限制二、远心光路p用于测量长度的显微镜其测量原理是在物镜的实像 面上置一刻有标尺的透明分划板 p标尺的格值已考虑了物镜的放大率,因此,当被测 物体成像于分划板平面上时,按刻尺读得的像的长 度即为物体的长度 p用此方法作物体长度的测量,标尺分划板与物镜之 间的距离固定不变,以确保按设计规定的物镜放大 率为常量 第三节 显微镜系统中光束限制二、远心光路p同时通过调焦使被测物体的像重合于分划板的刻尺 平面,即被测物体位于设计位置,否则就会产生测 量误差p但要精确调焦到物体的像与分划平面重合是有困难 的,这就产生了测量误差如图二、远心光路L是测量显微镜物镜,物镜框是孔径光阑,当物体AB位于设计位置时,像 A'B'就与分划板刻尺重合,此时量出的像高为y', 图中 的点划线是主光 线;由于调焦不准,物体处于非设计位置时,例如A1B1所处的位置,像 就不与分划板标尺重合,它位于A1'B1'的位置,图中的细实线是主光线 ,在分划板标尺上读到像的大小为y1',,这样由y1'换算出的物体长度就有误差。

      二、远心光路解决此问题的办法: Ø 将孔径光阑移至物镜的像方焦平面上,如图 二、远心光路Ø 由于孔径光阑与物镜像方焦平面重合,所以无论物 体位于AB位置还是处于A1B1位置,它们的主光线是 重合的, Ø 也就是说轴外点的光束中心是相同的,所以尽管 A1B1成像在A1‘B1’地方不与A‘B’重合, 但在分 划板标尺上两个弥散圆的中心间距没有变,仍然等 于y‘Ø 这样虽然调焦不准,但也不产生测量误差 对准平面Ø物平面AB称为对准平面,其共轭面A'B' ØP:入瞳中心 ØP‘:出瞳中心 Ø当光瞳有一定大小时,由点B1发出的充满入瞳的光束和对准 平面交为弥散斑ab,在景像平面上的共扼像也是一个弥散斑 a'b' 同理,所有位于景像平面以外的空间点都可在对准 平面上产生一个弥散斑 Ø由图可知,ab、a'b'的大小和入射光瞳的直径有关,入射光 瞳的直径减小,这些弥散斑也随之减小 Ø当入射光瞳直径小到一定程度时,弥散斑ab可看作一个点,其 共扼像a'b'也可看作为一点因而可以在景像平面A'B'上得 到对准平面以外空间点的清晰像 透视失真: p如上所述,物方空间点成像相当于以入射光瞳中心 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,再成像在景像平面上。

      p或者在像空间以出射光瞳中心为投影中心,各空间 像点沿主光线投影在景像平面上,也可形成空间物 点的平面像 p如果入射光瞳位置相对于物方空间点(即景物)的位 置发生变化,则景像也随之变化如图, 透视失真: p同样的景物在图a中是分开的; 而在图b中由于入 射光瞳位置的变化是重合在一起的 p显然,投影中心前后移动,投影像的变化和景物 是不成比例的,这种现像叫作透视失真 景像畸变: p用广角物镜拍摄物体时,若物体为一系列球状体 如图, p它们对入射光瞳中心均张以相同的圆锥状立体角 , 顶点为入射光瞳中心, p这些圆锥状光束的共扼光束亦为圆锥状p每个圆锥状光束的轴线以不同的角w‘,交于像平 面,由图可知,锥状光束在像平面上的截面将随 w’的不同而不同,该现象称为景像畸变, p圆形变成椭圆形,越在视场边缘这种现象越严重 二、光学系统的景深 p按理想光学系统的特性,除对准平面上的点能成点 像外,其它空间点在景像平面上只能为一个弥散斑 p但当其小于一定限度时,仍可认为是一个点 p现在讨论:当入射光瞳一定时,在物空间多大的深 度范围内的物体在景像平面上能成清晰像 p景深: 景深:p任何光能接收器,都是不完善的(如眼晴、感光乳 剂等),并不要求像平面上的像点为一几何点,而 是根据接收器的特性,规定一个允许的分辨率数值 。

      p当入射光瞳直径为定值时,便可确定成像空间的深 度,在此深度范围内的物体对一定的接收器可得清 晰图像 p在景像平面上所获得的成清晰像的空间深度称为成 像空间的景深,简称景深 p远景平面: 能成清晰像的最远的平面称为远景平面 ; 近景平面: 能成清晰像的最近平面称为近景平面 景深:p远景深度: 远景平面距对准平面的距离 p近景深度: 近景平面距对准平面的距离 p景深是远景深度和近景深度之和 弥散斑 p弥散斑直径的允许值取决于光学系统的用途 Ø例如一个普通的照相物镜,若照片上各点的弥 散斑对人眼的张角小于人眼极限分辨最(1-2‘) ,则感觉犹似点像,可认为图像是清晰的 p通常用ε表示弥散斑对人眼的极限分辨角 p极限分辨角确定后,允许的弥散斑大小还与眼晴到 照片的距离有关,因此,还需要确定这一观测距离 p日常经验表明,当用一只眼晴观察空间的平面像 例如照片,观察者会把像面上自己所熟悉的物体的 像投射到空间去而产生空间感(立体感觉) p但获得空间感觉时,诸物点间相对位置的正确性与 眼晴观察照片的距离有关,p为了获得正确的空间感觉,而不发生景像的歪曲, 必须要以适当的距离观察照片 ØØ 即应使照片上的各像点对眼睛的张角与直接观察该即应使照片上的各像点对眼睛的张角与直接观察该 空间物体时各对应点对眼晴的张角相等,空间物体时各对应点对眼晴的张角相等, ØØ 符合这一条件的距离叫作正确透视距离,以符合这一条件的距离叫作正确透视距离,以DD表示表示 。

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