工程光学第四章 光学系统中的光阑和光束限制

第四章光学系统中的光阑和光束限制,4.1光阑4.2照相系统中的光阑4.3望远镜系统中成像光束限制4.4显微镜系统中的光束限制与分析4.5光学系统的景深,第四章光学系统中的光阑和光束限制,组成光学系统的所有零件都有一定的尺寸大小,实际的光学系统除了应满足前述的物象共轭位置关系和成像放大率的要求外，还要有一定的成像范围,没有对光学零件的大小加以限制,通常光学系统中用一些中心开孔的薄金属片来合理地限制成像光束的宽度、位置和成像范围。这些限制成像光束和成像范围的薄金属片称为光阑。如果光学系统中安放光阑的位置与光学元件的某一面重合，则光学系统的边框就是光阑,4-1光阑,光阑在光学系统中的作用：,决定像面的照度。,决定系统的视场。,限制光束中偏离理想位置的一些光线，用以改善系统的成像质量,拦截系统中有害的杂散光。,光阑分为：,孔径光阑视场光阑消杂光光阑渐晕光阑,一、孔径光阑(ApertureStops),孔径光阑：它是限制轴上物点成像光束立体角（锥角）的光阑。也就是起到决定能通过光学系统的光（即像平面照度）作用的光阑。,含义2：孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成像光束的孔径角不变。,含义3：孔径光阑的位置不同，则对应于选择轴外物点发出光束的不同部分参与成像。,孔径光阑的定义：1）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）；2）选择轴外物点成像光束的位置。,2、入射光瞳与出射光瞳(EntranceandExitpupils),Pupils：TheimageoftheApertureStops,入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）,照相机镜头中的孔径光阑,孔径光阑,孔径光阑,物像关系,孔径光阑、入瞳与出瞳,出瞳,入瞳,孔径光阑,1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。,2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。,3）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了入瞳、出瞳；三者互为物像关系。,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,(1)轴上物点的位置发生变化，孔径光阑也会变化。,(2)几个口径一定的透镜组合，判断确定的轴上物点位置的孔径光阑：追迹光线法：过轴上物点的任一条近轴光线，求其在每个折射面的投射高度与实际口径的比值，比值最大的折射面的边框为透镜组的孔径光阑。,成像张角比较法：,例1：已知物点A离透镜1的距离为-l1=30mm，透镜1的通光口径D1=30mm,光孔2的直径D2=22mm，像点A离透镜的距离l1=60mm，透镜与光孔之间距离为d=10mm，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。,A,B,A,B,1,2,解：判断孔径光阑：轴上物点的成像张角比较法,1）透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。,2）光孔2相对于前面透镜成像：,A,B,A,B,1,2,3）D1，D2对轴上物点A的张角：,D2的张角最小，最能限制轴上物点A的成像光束，为入瞳，即光孔2为孔径光阑，U2为物方孔径角。光孔2后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，U2为像方孔径角。,2,(3)孔径光阑位置的安放原则：a.目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接（光瞳衔接原则）；b.投影计量光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化,要求系统的出瞳或入瞳位于无限远处；c.对轴外光束像差校正；d.各光学元件的口径匹配。,理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。,4、主光线（Chiefray）：,定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。,主光线是通过孔径光阑、并参与成像的物光束的中心光线。,入瞳中心是所有主光线的交点。,二、视场光阑(FieldStops),1、视场光阑:,接收面或中间实像面上的分划板。,摄影系统：像面的大小决定视场角2W的大小,望远镜：中间实像面上分划板的大小决定视场角2W的大小,3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。,第二节照相系统中的光阑,一、照相机的三个组成部分,镜头、可变光阑（孔径光阑）、感光底片（视场光阑）,光圈英文名称为Aperture，用来控制透过镜头进入机身内感光面的光量，是相机一个极其重要的指标参数，通常在镜头内。它的大小决定着通过镜头进入感光元件的光线的多少。表达光圈大小用F值，其中，F=镜头的焦距/镜头的有效口径的直径。,光圈F值越小，通光孔径越大，在同一单位时间内的进光量便越多，而且上一级的进光量刚好是下一级的两倍，例如光圈从F8调整到5.6，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。对于消费型数码相机而言，光圈F值常常介于f2.8-f11。,曝光:相机的感光元件在有限的时间（快门速度时间）内接受光，并成像，这个过程叫做曝光。感光元件，胶片时代是指的胶片，数码时代指的是感光元件CCD或CMOS。,曝光过度:指由于光圈开得过大、底片的感光度太高或曝光时间过长所造成的影像失常。,光圈优先:指由机器自动测光系统计算出曝光量的值，然后根据你选定的光圈大小自动决定用多少的快门。手动设置光圈值，由测光结果自动调整快门速度。,使用光圈优先模式的目的是，使用者可以自己控制景深。在风景摄影中，当使用者希望近处和远处的画质都要清晰，而快门速度并不重要的时候，需要设定一个较小的光圈值。在人物摄影中，相机使用者更希望一个较大的光圈值，使得人物的背景失焦，用以强调人物主题而淡化背景。使用光圈优先的另一个目的是让相机选择快门速度，以防止不恰当的曝光时间。在风景摄影中，使用者当为瀑布拍照时，会选用较大的光圈值，也就是较小的光圈配合较长快门时间，使得瀑布的水滴变得模糊。但当在较暗的灯光下摄影时，一个较小的光圈值，也就是获得更大的光圈，使更多的光线进入镜头。,设置方法:,速度控制:在同一环境下，光圈和快门是相辅相成的，光圈越大，进入的光线就越多，所需的快门时间就越短，反之，光圈越小，快门速度就越慢，因而可以通过光圈来调节快门。,与快门优先区别:快门优先用于你对快门有要求的时候，如你拍摄高速运动的物体，快门必须要快一些，所以你控制快门，由相机控制光圈。需要注意的是，光圈的可调范围小于快门，所以用快门优先时，如果你把快门调得太快或太慢，相机是没有办法正确曝光的。,轴上物点：孔径光阑在不同位置，对成像光束宽度的限制作用相同：都是光束的中间部分参与成像。,轴外物点：孔径光阑在不同位置，参与成像光束的空间位置不同，成像质量不同。,轴外光束决定孔径光阑的位置,假设：透镜口径足够大,轴外物点发出并充满入瞳的光束不一定能全部通过系统，还可能受到远离孔阑的光孔的阻拦，这就是拦光。请观察，当视场逐渐增大时，轴外点发出充满孔阑的光束被前后两个透镜所拦，其中上光线被第2个透镜拦，下光线被第1个透镜拦。轴外点的实际成像光束孔径要比轴上点小。,二、渐晕光阑（Vignettingstop）,1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。,一个系统可以有0到2个渐晕光阑。,B1的成像光束不被拦，B2的成像光束主光线以下被拦，B3发出的光线只有一条通过，B3以下不能成像。,2、渐晕系数:,用渐晕系数表示渐晕严重的程度,想一想：是否所有光学系统都要无渐晕？渐晕光阑是否只有一个？,关于问题：当孔径和视场都较大时，无渐晕既无必要也不可能。因为远离孔阑的透镜直径不能做得太大，且适当拦掉偏离理想成像状态较远的即像差较大的轴外光束有利于改善像质。关于问题：单向拦光相当于孔阑位于光学系统之外。但孔阑在光学系统内部时，可能有两个渐晕光阑，一个拦上光线，另一个拦下光线。特别是全对称系统，必有两个渐晕光阑。,三、照相系统的光阑总结,孔径光阑在物镜中的位置,望远镜系统是以平行光入射，再以平行光出射的系统,第三节望远镜系统,望远镜系统作为一个光组的构成,最简单的望远镜系统至少有两个独立光组，第一光组的像方焦点与第二光组的物方焦点重合,各放大率的关系保持不变,望远镜系统中成像光束的选择,1、构成,2、光学参数,目视光学系统的视角放大率：远处物体经系统所成的像对眼睛张角的正切，与该物体直接对眼睛张角的正切之比。,*概念区别：角放大率,3、分划板视场光阑,分划板位于物、目两镜的共同焦面上：入射窗、出射窗均在无穷远处，分别与物、像面重合。,二、望远镜系统中的光束限制,1、光瞳衔接原则：前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。,追迹主光线的投射高度,1）光阑在物镜的左侧10mm：,2）光阑在物镜上：,3）光阑在物镜右侧10mm：,三、望远镜系统光束限制的总结,1、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则；,2、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于6mm；,4、分划板就是视场光阑。,3、孔径光阑大致在物镜左右；,4、光阑位置对轴外光束位置的选择,第四节显微镜系统中的光束限制和分析,一、简单显微镜系统中的光束限制,1、显微镜系统的构成,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。,二、远心光路,在工具显微镜光学系统的实像平面上，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按此方法测量，刻尺与物镜之间的距离应保持不变，使物镜的放大率保持常数这种测量方法的测量精度在很大程度上取决于像平面与刻尺平面的重合程度。,1、孔径光阑在物镜上,(a)测距原理：,(b)调焦不准：,2)由于调焦不精确，引起像平面和标尺平面不重合，从而导致测量误差。,1)入瞳与物镜边框重合；,2、孔径光阑在物镜的像方焦平面上,1)入瞳位于物方无穷远。,A和A1、B和B1的主光线分别重合，且轴外点的主光线平行于主轴。,3)主光线是物点成像光束的中心轴，则物点A1B1在刻尺平面构成的两个弥散斑的中心间隔始终不变。,物方远心光路,(a)测距原理：,(b)调焦不准：,三、显微镜系统光束选择的总结,1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；,2、一次实像面处安放视场光阑；,3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上物方远心光路,第五节光学系统的景深,理论上，只有共轭的物平面才能在像平面上成清晰像，其他物点所成的像均为弥散斑。但当此斑对眼睛的张角小于眼睛的最小分辨角1时，人眼看起来仍为一点。此时，该弥散斑可认为是空间点在平面上的像。,想一想：为什么看许多照片时感觉远近都清楚？,同一位置不同景深的效果,一、光学系统的空间像,1、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。,对准平面,景像平面,2、透视失真,投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。,3、景像畸变,二、光学系统的景深,成像空间的景深：在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。,入瞳中心：物空间参数的起算原点,出瞳中心：像空间参数的起算原点,对准平面的弥散斑直径：,景像平面的弥散斑直径：,由相似三角形得：,两个因素：观测距离、极限分辨角,远景、近景到对准平面的距离：,远景、近景到入瞳的距离：,可见，焦距短景深大，对准平面远景深大，入瞳直径小则景深大，且远景深大于近景深。,想一想：是否对准平面越远景深越大？以上公式是否各种系统都适用？摄影时怎样控制景深？,关于问题设焦距50mm，入瞳直径12.5mm，要求弥散斑Z=0.05,关于问题仅前两组公式是普适的，后面的公式仅适用于摄影系统。,例：照相机的原理图,孔径光阑光圈,不同光圈的效果,（一）长景深的照片,要拍摄大景深的照片，如远景镜头，应选择短焦距、小的相对孔径即大的光圈数，对准距离远。,（二）短景深照片,要拍摄小景深的照片，如特定镜头，应选择长焦距、大的相对孔径即小的光圈数，对准距离近。,74,第四章光学系统中的光束限制,1.什么是孔径光阑(作用)