光学系统中的光束限制.ppt

第5章光学系统中的光束限制 教学目标 牢固掌握孔径光阑的确定方法 掌握入瞳 出瞳概念 掌握视场光阑的确定方法 掌握入射窗和出射窗的概念 理解渐晕的概念和成像范围 了解景深的概念和影响因素 了解物 像方远心光路 5 1光阑及其作用 主要内容 光阑的概念光阑的分类光阑的位置 5 1光阑及其作用 一 光阑的概念通光孔径 限制进入光学系统中光束尺寸的光孔的内孔大小称为通光孔径 光阑 透光孔 起限制光束的作用 二 光阑的分类 三 光阑的位置 1 孔径光阑 位置随系统而异 目视光学系统 孔阑或孔阑的实像一定要在外面 眼睛能与之重合 以接受全部成像光束 远心光路 孔阑在焦平面上 其他光学系统 可以选择 以改善成像质量 注 光阑位置改变时 应改变光阑孔径 以保证轴上点光束孔径角不变 2 视场光阑 视场光阑的位置是固定的 总是设在实像面或中间实像面上 如 照相机底片 如果系统没有这种实像面 则不存在视场光阑 形状可以是圆形的 如显微系统和望远系统 可以是方形的 如照相系统 物 像方线视场 物 像高的2倍 线视场视场角 物方视场角和像方视场角 是物像方线视场上下边缘主光线之间的夹角 3 渐晕光阑定义 限制轴外成像光束宽度 改变轴外点成像质量 渐晕 轴外物点发出的能通过孔径光阑和视场光阑的成像光束被部分拦截 这种现象称为渐晕 作用 提高轴外物点成像质量 慧差 减小仪器体积 渐晕光阑多为透镜框 在一些系统中 允许有一定渐晕 改善成像质量 但像面上轴外点照度小于轴上点照度 4 消杂散光光阑定义 限制杂散光 视场外的光 金属表面 光学表面 镜筒内壁的反射散射光 杂散光成像到像面 增加像面亮背景 使像对比度下降 把管壁加工成螺纹状并涂黑 消杂光 5 2孔径光阑 主要内容 孔阑概念孔径光阑的确定入瞳和出瞳入瞳的大小 5 2孔径光阑 一 孔径光阑一个光学系统有若干个透光孔 何为孔阑 限制轴上物点成像光束立体角的光孔 错误观点1 光孔小的为孔阑错误观点2 第一个光孔为孔阑 二 孔径光阑的确定 如何来确定一个光学系统中对给定物体位置时的孔径光阑 应使所有光孔处于同一空间 注 光学系统的孔阑是对给定位置的物体而言的 如果物体位置发生变化 原来的孔阑失去作用 光束被其他光阑所限制 1 物体位置变了 孔阑可能会改变 2 当物体位置一定时 有一个光孔最限制成像光束宽度 孔阑 物体位于无限远时如何确定孔阑 只需比较各光阑通过其前面光组在整个系统的物空间成像的大小 以直径最小者为入瞳 入射光瞳 孔径光阑在物空间的像 简称入瞳 光学系统物方孔径角 孔径光阑在物空间的像所决定的对轴上物点A的张角2U 三 入瞳和出瞳 出射光瞳 孔径光阑在像空间的像 简称出瞳像方孔径角 出瞳对像面中心A 所张的角度最小 称为光学系统的像方孔径角2U 通过入瞳中心的光线必通过孔阑中心 并必过出瞳中心 通过入瞳边缘的光线必通过孔阑边缘 并必过出瞳边缘 物点与入瞳中心的连线称为主光线 主光线也通过孔阑和出瞳中心 入瞳中心是所有主光线的交点 入瞳是物面上所有物点发出的光束的共同入口 出瞳是物面上各点发出光束经整个光学系统后从最后一个光孔出射的共同出口 三 入瞳大小的确定 入瞳大小是由光学系统对成像光能量的要求或者对物体细节的分辨能力的要求确定的 相对孔径 入瞳直径和焦距之比 表示入瞳大小 在照相系统中 以光阑指数 F数 俗称光圈 来表示入瞳大小 是相对孔径的倒数 显微物镜的入瞳用数值孔径表示 例题1 有一个物镜焦距为 其框直径为 在它前面50mm处有一个光孔 直径 问物点在 500mm和 300mm时 是否都由同一光孔起孔径光阑的作用 相应的入瞳和出瞳的位置和大小如何 例题2 薄透镜焦距为 通光孔径为 在其后30mm处有圆形光孔直径物在1320mm处 求入瞳 孔径光阑 出瞳 5 3视场光阑 入射窗和出射窗 主要内容 如何确定视场光阑入射窗 出射窗概念 与视场光阑的关系渐晕概念 渐晕系数 一 视场光阑 定义 限制光学系统成像范围的光阑 规定 1 在确定成像范围时 要找一个原点 入射光瞳中心 2 规定以轴外物点主光线能否进入系统 即以主光线为边界确定光学系统的成像范围 物面上能进入系统最边缘的各点发出的主光线与光轴的夹角决定了光学系统的成像范围 限制这些主光线的光孔就是视场光阑 视场光阑的确定 把所有光孔被前面光组成像 以入瞳中心为原点 对这些光孔像张角 其中张角最小的是入射窗 与入射窗共轭的光孔就是视场光阑 二 入射窗 出射窗 入射窗 视场光阑经其前面的光学系统所成的像称为入射窗 简称入窗 出射窗 视场光阑经其后面的光学系统所成的像称为出射窗 简称出窗 视场的大小 1 视场角 物在无限远时习惯用视场角物方视场角 入窗边缘两点主光线间的夹角 像方视场角 出窗边缘两点主光线间的夹角 2 线视场 物在有限远习惯用线视场入瞳 或出瞳 中心与入窗 或出窗 边缘连线和物面交点之间的线距离 称为线视场 例题 有一对称的照相物镜 两薄透镜间隔d 60mm 透镜直径AB CD 50mm 它们的焦距在两个透镜的中间有一个圆形光孔Q1Q2 30mm 在底片平面处有方形光阑p1p2为60mm 60mm 它距离CD透镜45mm处 若物镜对物体拍摄 求孔径光阑 视场光阑和物像方视场角 三 渐晕 注 以上讨论有一个前提 把孔径光阑看成是无限小 认为轴外点发出的光束只有一条主光线进入光学系统 即由入窗决定的成像范围只适用于入瞳很小的情况 现在考虑 轴外物点以有限大小光束进入光学系统成像 第一个区域 以AB1为半径的圆形区域无渐晕 此区域中的每个点均以充满入瞳的全部光束成像 像面照度均匀 第二个区域 以B1B2绕光轴旋转一周形成的环形区域有渐晕 此区域中的每个点已不能由充满入瞳的光束成像 由B1点到B2点 能通过入瞳的光束由100 渐变到50 渐晕 轴外点发出的充满入瞳的光 被入窗所拦截的现象 第三个区域 以B2B3绕光轴旋转一周形成的环形区域 此区域能通过入瞳的光束由50 渐变到零 渐晕现象更严重 B1点 这以内是无渐晕成像范围 充满入瞳的光全通过 像面照度均匀 B2点 恰使主光线通过 半渐晕 B3点 最大成像范围 线渐晕系数面渐晕系数 用什么来描述渐晕严重程度 渐晕的优点 提高像质 减小横向尺寸 渐晕的缺点 降低轴外点像面照度 能量减少 对于有一定大小的入射光瞳的光学系统 也可以不存在渐晕 以上所有量均以入射光瞳中心为原点 消除渐晕的方法 欲使渐晕区B1B3为零 需使p q 即入窗与物面重合 出窗与像面重合 5 4光学系统的景深 有些光学系统要求对整个或者部分空间的物点成像在一个像面上 如 照相机 望远镜 为什么看照片时无立体感 远近都清楚 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 一 光学系统的空间像 平面像 当入瞳有一定大小时 空间物发出的充满入瞳的光束在对准平面和景象平面上的投影均为一弥散斑 二 光学系统的景深景象平面上的弥散斑直径多大时才认为 像 是清晰的 这与接收器件的分辨率有关 以照相机为例 人眼最小分辨角为1 如果弥散斑对人眼张角小于1 则认为照片是清晰的 当入瞳减小到使空间点在对准平面上的弥散斑变成一点时 在景象平面上可以对对准平面以外的空间点成清晰像 当a1a2和b1b2小到可以看成一点时 我们认为从B1到B2的空间深度范围内的物 都能在像平面上得到清晰像 这个空间深度叫景深 照片上图像各点对人眼张角和直接观察空间各点对眼睛张角相等 正确透视距离D 结论 入瞳直径越小 景深越大 拍照时 把光圈增大 可获得大空间深度的清晰像 两种特殊情况 1 景深为对准平面直到无限远的整个物空间 对准平面在何处 结论 对准平面 p 2a 景深为自入瞳前a 的平面到无限远整个物空间 结论 景深为自入瞳前2a 距离处到无限远 总结 把照相物镜调焦在无限远时 景深要小一些 近景距离比前一种大一倍 照相机镜头景深与哪些因素有关 与入瞳直径大小有关 即与F数有关 与允许的弥散斑直径大小有关 即跟仪器的分辨率有关 与对准平面的位置有关 上面讨论的两种特殊情况 5 5远心光路 1 物面AB 像A B 精确调焦时精确测量 2 若调焦于AB后 将在分划板上得弥散斑 测得长度比A B 略短 反之 若调焦于AB前 则略短 像面与分划板不重合的现象 视差 视差越大 测量误差也越大 怎样缩小影响 思想 控制主光线 使B 成像光束的中心与B1 成像光束的中心重合 方法 在光学系统的像方焦平面处放置孔径光阑 使入瞳在无限远处 使物方主光线平行于光轴 结果 在分划板上的弥散斑只是看来模糊些 无视差 物方远心光路 光学系统的入瞳在物方无穷远处 所有轴外物