物理光学与应用光学第四章.ppt

第一节光阑 第二节照相系统的光阑 第三节望远镜系统中成像光束的选择 第四节显微镜系统中的光束限制与分析 第五节光学系统的景深 第四章光学系统中的光阑 Stops 因为每个光学零件都有一定的大小 能够进入系统成像的光束总有一定限制的 决定每个光学零件尺寸的就是系统中成像光束的位置和大小 光学系统除了物象共轭 成像放大率要求外 还要有一定成像范围的要求 因为像平面上要有一定的光能和反映物面细节的能力 分辨率 由衍射理论知与孔径成正比的 光阑及其作用 1 作用 限制成像光束的孔径角 成像的范围 当然也就限制了进光量的多少 像的亮度 就限制了成像的大小了 通光孔径 例 在光学系统中 装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制光束的光孔 而仅仅靠他们来限制光束不远远不够的 还需要特意设置限制光束的装置的 2 光阑 带孔的金属薄片 通常形状是圆的 其中心和光轴重合 其平面与光轴垂直 光阑 光阑的分类 1 孔径光阑 它是限制轴上物点成像光束立体角的 在有些光学系统中是有特定要求的 它决定轴上点发出的平面光束的孔径角 M1 N1 光阑 1 在目视光学系统中 光阑或者光阑的像一定要在光学系统的外边 使眼睛的瞳孔可以与之重合 以达到良好的观察效果 例 2 在计量光学系统中 为了达到精确的测量 光阑常放在物镜的焦平面上 形成 远心光路 除此以外 光学系统中的光阑位置是可以任意选择的 但是 合理的选择光阑的位置可以改善轴外点的成像质量 1 2 M1 M2 N1 N2 光阑 当光阑位置改变时 应相应的改变其大小 以保证轴上点光束的孔径角不变 合理选择光阑的位置 在保证成像质量的前提下 可以使整个光学系统的尺寸减少 系统的结构均称 1 2 M1 M2 N1 N2 光阑 2 视场光阑 它是决定物平面上或物空间中成像范围的光阑 以上的两种光阑是光学系统系统中最重要的光阑 任何系统都有这两种光阑的 3 消杂光光阑 3 该光阑不限制通过光学系统的成像光束 只限制那些从非成像物体射来的光 例如 各反射面反射的光 仪器内壁反射的光等 1 杂光 2 其危害 使像面产生明亮的背景 降低像的衬度 非成像的光 来自反射面反射的光 仪器内壁反射的光等 4 当然也只是一些重要的光学系统 专门设置消杂光光阑的 且可以有几个的 例如 天文望远镜 长焦距平行光管等 5 一般的系统仅仅使用其镜管内壁加工成内螺纹 并涂以黑色无光漆或者煮黑来达到消杂光的目的 分划板 消杂光光阑 物镜 第一节光阑 1 孔径光阑的定义和作用 一 孔径光阑 ApertureStops 含义1 限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑 限制成像光束和成像范围 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 将光学系统中所有光学零件的通光孔 分别通过其前面的光学零件成像到整个系统的物空间去 入射光瞳必然是其中对物平面中心的张角为最小的一个 入射光瞳的特性 入射光瞳 入射光瞳必定是对物面中心的张角最小的一个 孔径光阑 U 出射光瞳的特性 出射光瞳 出射光瞳必定是对像面中心的张角最小的一个 孔径光阑 将光学系统中所有光学零件的通光孔 分别通过其后面的光学零件成像到整个系统的像空间去 则出射光瞳必然是其中对像平面中心的张角为最小的一个 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 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 出瞳 入瞳 孔径光阑 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 二 视场光阑 FieldStops 1 视场光阑 3 视场光阑 入射窗与出射窗三者互为物象关系 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 孔径光阑 出射光瞳 入射光瞳 A B 视场光阑 入射窗 出射窗 C 可见仅仅B点以内的物点可以被系统成像 B点与入射光瞳中心的连线与光轴的夹角最小 入射窗对入射光瞳中心的张角为最小的 出射窗对出射光瞳中心的张角为最小的 视场角 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 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 入射窗对应的光学零件视场光阑 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 把孔径光阑以外的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 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 减小孔径光阑并不会对视场产生影响 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 例 有一个由三个光学零件组成的光组 透镜O1 其口径D1 4mm f 1 36mm 透镜O2 其口径D2 12mm f 2 15mm 二透镜间隔195mm 在离透镜O1右180mm处设有一光孔D3 10mm 物点离透镜Ol为 45mm 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 解 光孔D3经O1成像 在O1左方与物点重合 透镜O2经O1成像 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 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 3 2 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 暗盒 视场光阑 一 照相系统由三部分组成镜头 将外界景物成像在底片上 光阑 调节成像光束宽度从而调节光能量 底片架框 确定景物的成像范围 照相机和光阑的作用 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 光阑位置对成像光束的影响 光阑位置对成像光束的影响 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 光阑位置对成像光束的影响 光阑位置对成像光束的影响 光阑位置对成像光束的影响 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 1 渐晕现象 像平面的边缘比中间暗 离轴物点 二 渐晕光阑 Vignettingstop 渐晕光阑 渐晕光阑 渐晕光阑 渐晕光阑 渐晕光阑 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 渐晕光阑 渐晕系数 三 照相系统的光阑总结 孔径光阑在物镜中的位置 第三节望远镜系统中成像光束的选择 一 双目望远镜的组成 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 复习 第二章 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 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lz 6mm 1 光阑在物镜的左侧10mm 4 25 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 二 远心光路 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 2020 3 4 66 CCD偏左 CCD偏右 没有远心镜头 加上远心镜头 三 场镜的应用 缺点 出射主光线的投射太高 要求物镜后面系统的口径必须非常大 1 透镜转像系统 加长光路 1 长光路显微镜系统 2 降低主光线 减小后续光路口径的办法 1 转像系统 场镜 与像平面重合 或者很靠近像平面的透镜 效果 主光线经场镜后通过 1 转像透镜中心 从而对后面系统的口径要求最小 场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用 实际设计 在 1 转像透镜前 物镜的实像面处加场镜 2020 3 4 69 这种和像平面重合 或很靠近像平面的透镜称为场镜 场镜的应用 四 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 4 长光路显微镜系统 利用场镜达到前后系统的光瞳衔接 减小光学零件尺寸 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 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 以入瞳中心为投影中心 以各空间点的主光线为投影方向 向对准平面投影 对应投影点在景象平面上的共轭点即为空间点的平面像 平面上的空间像的获得 或 在像空间以出瞳中心为投影中心 仍以各空间点的主光线为投影方向 各空间像点向景象平面投影 可得空间点的平面像 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 锥状光束在景像平面上的投影随光束轴线的倾角不同而变化 导致景象与景物不成比例的现象 球状物体对应的所有主线形成锥状光束 其共轭光束亦为锥状光束 显然 不同轴线倾角的锥状光束在景像平面上投影 或截面 不同 由光轴至边缘 投影由圆形变成椭圆形 且椭偏度逐渐增大 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 正确透视距离 观察距离满足照片上各点对人眼睛的张角 与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等 眼睛 以照相机为例 分析人眼看照片认为是清晰图像的情况 对准平面上对应弥散斑的允许值 远景 近景到对准平面的距离 远景 近景到入瞳的距离 总成像深度 景深 物方孔径角U 轴上物点 入瞳边缘连线与光轴的夹角 例 照相机的原理图 光圈大小对于景深的影响 对于固定焦距和拍摄距离 使用光圈越小 景深越大 孔径光阑 光圈 相对孔径D f 入瞳直径与焦距之比 例1 现有一照相机 其物镜f 75mm 现以常摄距离p 3m进行拍摄 光圈的相对孔径D f 入瞳直径与焦距之比 分别采用1 3 5和1 22 试分别求其景深 解 不同光圈的效果 1 使对准平面前的整个