《理学应用光学》PPT课件.ppt

10 几种特殊光学系统的光束选择,报告人：周远,光阑,1. 限制成像光束的光孔称为光阑,2. 孔径光阑：对成像光束口径起主要限制作用，控制了成像光束的光能量。,3. 视场光阑：限制成像范围的光阑,7. 孔径光阑的确定方法,(1) 作出光学系统中所有光阑在系统物空间的像； (2) 在系统的物空间比较光阑的像对A的张角，张角最小的光阑的像对应的光阑即为孔径光阑。,说明: (1)光学系统孔径光阑与系统和物平面位置有关。 (2)当物位于无穷远时，在物空间比较张角变为比较光阑的像的大小。,对成像光束口径起主要限制作用，控制了成像光束的光能量。,关于孔径光阑：,孔径光阑是成像系统中限制入射光束最 厉害的光阑，即入射孔径角最小的光阑;,与物点的位置有关,孔径光阑与物点位置的关系,8. 入瞳和出瞳,入瞳: 孔径光阑被前面的光组在光学系统物空间的像。-限制入射光束,说明: 入瞳和出瞳关于光学系统共轭。,出瞳: 孔径光阑被后面的光组在光学系统像空间的像。-限制出射光束,u,u,孔径光阑,例题3,已知一个焦距为20mm的薄透镜，通光口径D1为30mm，在薄透镜前30mm处有一个物点A，在透镜后40mm处有一个通光口径D2为12mm的金属圆孔，求： （1）系统的孔径光阑； （2）系统的入瞳； （3）系统的出瞳； （4）当物位于无穷远时，系统的孔径光阑；,40,O,A,9.视场光阑,对物面上成像范围起限制作用的光阑。,孔径光阑,底片,瞳孔,人眼瞳孔：孔径光阑，,窗,窗：视场光阑,物点,首先给出入瞳中心将系统所有的孔对前光学系统成像，诸像中对入瞳中心张角最小者为入射窗，简称入窗与入窗对应的孔为视场光阑,视场光阑对后光学系统的像，称为出射窗，简称出窗,怎样确定视场光阑？,入窗和出窗,说明: 光学系统视场光阑与光学系统和物平面位置有关。,例题4,已知一个焦距为20mm的薄透镜，通光口径D1为30mm，在薄透镜前30mm处有一个物点A，在透镜后40mm处有一个通光口径D2为12mm的金属圆孔，求： （1）系统的孔径光阑和视场光阑； （2）入瞳和出瞳； （3）入窗和出窗； （4）当物位于无穷远时，系统的孔径光阑和视场光阑。,40,O,总结： 光阑,对物点（轴上）张角最小的对应的光阑即为孔径光阑。 孔径光阑通过前面光组的像为入瞳；限制入射光束大小； 通过后面光组的像为出瞳；限制出射光束大小。,对入瞳中心张角最小的对应的光阑即为视场光阑。 视场光阑通过前面光组的像为入窗；限制物方视场； 通过后面光组的像为出窗；限制像方视场。,作出光学系统中所有光阑通过前面光组的像；,说明: (1)孔径光阑与物平面位置有关。 (2)物位于无穷远时，比较光阑通过前面光组像的大小。 (3)入瞳和出瞳关于光学系统共轭。,几组相关的概念,(1)物方和像方半孔径角 物方半孔径角:光轴上物点对入瞳的半张角(U). 像方半孔径角:光轴上像点对出瞳的半张角(U),(2)主光线 轴外物点发出的经过入瞳中心的光线. (3)相对孔径和F数 相对孔径:D/f; F数: f/D.,主光线和边缘光线,边缘光线,主光线,主光线-通过孔径光阑中心的光线;,边缘光线-通过孔径光阑边缘的光线;,孔径光阑,4 物方和像方半视场角,物方半视场角:入窗对入瞳中心的半张角(w). 像方半视场角:出窗对出瞳中心的半张角(w),1. 渐晕,轴向光束全部通过系统； 离轴光束部分通过系统；,渐晕：由于轴外光宽度比轴向光小而导致的轴外像比中心像暗的现象。,线渐晕系数：,面渐晕系数：,有渐晕时，轴外光宽度不但与孔径光阑有关，还与其余元件的口径有关。但轴向光只与孔径光阑有关。,2. 几种特殊系统的光束选择放大镜,物点,瞳孔为孔径光阑，决定了光束大小；出瞳就是瞳孔； 放大镜镜框为视场光阑，决定视场大小。入窗就是镜框；,2. 几种特殊系统的光束选择照相机,光圈是孔径光阑； 入瞳和出瞳可认为是光圈本身； 底片框是视场光阑。 入窗可认为是无穷远，出窗是底片框。,2. 几种特殊系统的光束选择望远镜,物镜框为孔径光阑，决定光束大小。 入瞳就是物镜框。 出瞳是物镜框经目镜成的像 分划板框为视场光阑，决定视场大小。入窗和出窗在无穷远。,物镜,目镜,分划板,眼睛只有在出瞳附近，才可看到整个视场。 出瞳距不能太短。一般大于6cm。军用20cm。,2. 几种特殊系统的光束选择显微镜,物镜框为孔径光阑，决定光束大小。 入瞳就是物镜框。 出瞳是物镜框经目镜成的像 分划板框为视场光阑，决定视场大小。入窗在物平面；出窗在无穷远。,物镜,目镜,分划板,眼睛只有在出瞳附近，才可看到整个视场。,3. 显微镜的视场、成像光束大小、数值孔径,物镜,目镜,分划板,一般分划板直径,成像光束大小用物方孔径角u和像方孔径角u表示,最大线视场,3. 显微镜的视场、成像光束大小、数值孔径,物镜,目镜,分划板,显微镜的数值孔径,要想增大显微镜的视放大率，必增大它的数值孔径NA.,增大孔径角u， 增加物方介质折射率n,浸液物镜,4. 远心光路,物方远心光路和像方远心光路 在光学仪器中，很大一部分仪器用来测量长度 一类仪器是光学系统有一定放大率，使被测物的像和标准刻尺相比，求被测物体的长度，如工具显微镜等计量仪器。 另一类仪器是把一标尺放在不同的位置，光学系统改变放大率，使标尺的像等于一个已知值，来求仪器到标尺间距离，如大地测量仪器中的视距测量。,在显微镜的实像平面上，放置已知刻度值的透明刻尺（称为分划板） 分划板上刻尺的格值已考虑了物镜的放大率 测量时，待测物与物镜间的距离应保持不变，使物镜的放大率保持常数 实际待测物与物镜距离不可能如此准确，带来误差。,第一类光学系统：工具显微镜测物体长度,4.1. 物方远心光路,在物镜像方焦平面上放一孔径光阑 ； 成像光束主光线过像方焦点； 分划板上的光斑中心高度与y相同；消除了误差； 像方焦平面上的孔径光阑对应的入瞳在物方无穷远。对应的光路叫物方远心光路 物方远心光路的入射主光线平行与主轴，出射主光线过像方焦点。 在大多数的计量光学仪器中，孔径光阑常安置在物镜像方焦平面上以形成物方远心光路以提高观测精度。,4.2. 像方远心光路,像面与分划板不重合带来测量误差。,在物方焦平面放一孔径光阑，使出射主光线与主轴平行。减小测量误差。,入射主光线过物方焦点；出射主光线平行主轴； 出瞳在像方无穷远，光路叫做像方远心光路。,5. 场镜,开普勒望远镜,光线在目镜上的投影高太高，导致目镜尺寸要求大。 可在像平面（公共焦平面）上放一正透镜（叫做场镜）,场镜与像平面重合，物镜所成的像恰好在场镜主平面上，为1，物镜所成的像通过场镜后不改变大小。因此场镜的引入不会影响系统的成像性质。 因场镜是正透镜，会把成像光束向中心会聚，目镜的尺寸就可以减小了。,例题1,7倍望远系统，视场2=80，目镜焦距为25mm，出瞳直径为5mm，假定无渐晕，求孔径光阑、入瞳、出瞳位置，物镜和目镜的口径、视场光阑口径。,物镜,目镜,分划板,例题2,200倍显微镜的目镜焦距为25mm，如果出瞳直径D=1mm，显微物镜的物像共轭距为195mm，求显微镜的数值孔径是多少？物镜的通光口径是多少（空气镜头）？,例题3,半视场角为50的望远系统由焦距分别为100mm和20mm的两正透镜构成，出瞳直径D=5mm，由于目镜口径的限制，轴外边缘