第三章光学系统中的光束限制

1、工 程 光 学,信息科学与技术学院 授课教师：王 颖,第三章 光学系统中的光束限制,由于成像理论的完善，构成了许多在科学技术和国民经济中 得到广泛应用的光学系统，本章主要介绍摄像系统和望远系 统。 实际光学系统和理想光学系统不同，必须限制参与成像的光 束宽度和成像范围以保证成像质量。其限制来自光学零件尺 寸大小。光学系统不同，参与成像的光束位置和宽度要求不 同。 1.照相系统和光束限制 2.光学系统的景深 3. 望远镜系统及光束的选择 4. 显微镜系统中光束的限制与选择,单镜头反光照相机（SLR),3.1 照相系统,一、摄影系统的组成 由摄影物镜和感光元件组成。 二、摄影系统的光学特性参数 焦

2、距f，相对孔径D/f，视场角2，景深。 焦距决定成像的大小； 相对孔径决定像面照度； 视场决定成像范围。 1.视场 影响因素：焦距，接收器尺寸 像的大小与焦距的关系：,照像系统的基本结构,照相系统的基本结构图,由照相镜头、可变光阑和感光底片组成,在拍摄远处物体时，像的大小为： 在拍摄近处物体时，像的大小为： 普通照相机标准镜头的焦距为50mm,镜头的焦距与像的大小,1.像的大小,增大像距 放大图像,在镜头与相机之间加接圈增加像距,2.视场 影响因素：焦距，接收器尺寸 当接收器的尺寸一定时，物镜的焦距越短，则其视场角越大，焦距越长，视场角越小。 3.分辨率 影响因素：物镜的分辨率和接收器的分辨率

3、 分辨率的度量以像平面上每毫米内能分辨开的线对数Cy/mm表示。 经验公式： 理论分辨率： 光圈数：,物方最大视场角,物镜分辨率,接收器分辨率,视场和焦距的关系,三、照像系统的光束限制,光阑：限制成像光束的光孔或限制成像范围的光孔或框，分为视场光阑和孔径光阑。 孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束的光孔口径的光阑。 视场光阑：限制成像范围的光阑。 不同的光学系统，由于对成像要求不同，其对光束的约束也不同，光阑在光学系统中的位置会不同。,孔径光阑的位置对光束的选择,孔径光阑对轴上点光束的限制,孔径光阑的位置对轴上 点光束宽度成像无限制,孔径光阑的位置对光束的选择,孔径光阑对轴外点光束的限制,孔径

4、光阑位置对轴外点的光 束宽度的成像产生较大影响,M,M,N,N,M,N,渐晕、渐晕光阑及渐晕系数,透镜的边框起到“拦光”的作用即渐晕光阑 渐晕系数：,入瞳和出瞳,孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间成的 像称为入瞳，它是入射光束的入口,孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统物空间成的 像称为出瞳，它是出射光束的出口,入瞳和出瞳,视场光阑及入射窗、出射窗,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 视场光阑经其后面的光组在物空间所成的像，称为光学系统的出射窗。,孔径光阑在组合透镜中的位置,四、 光学系统的景深,一、 空间的物点成像,2. 光瞳和视场对成像的影响,二、

5、光学系统的景深,3.正确透视条件,4.光学系统的景深,1.概念： 景深：成像清晰的空间深度 远景深度：远景平面距对准平面的距离 近景深度：近景平面距对准平面的距离 2.景深公式：,由,由相似三角形关系得：,由此得：,由：,景深和焦距及孔径光阑的关系,景深和焦距以及入瞳直径有关系,拍摄距离和光圈数影响景深,孔径光阑越小景深越大,3. 像面照度 物体在无限远时，0，则： 对大视场物镜有：,调节曝光量，改变成像质量,二、 孔径光阑孔径的调节,三、摄影物镜的类型 1.像差校正要求：大视场，大相对孔径需要校正轴外点和轴上点像差 2.基本类型介绍 普通摄影物镜，大相对孔径摄影物镜 广角摄影物镜；远摄物镜

6、变焦距物镜 变焦比： 焦距为：,天 塞 物 镜,双 高 斯 物 镜,广 角 物 镜,远 摄 物 镜,变 焦 物 镜,四、照相光学系统小结,照相光学系统中根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置，大致位置在物镜的某个空气间隔中。 在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅仅由孔径光阑的口径确定，而且还和渐晕光阑的口径有关。 在照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。 孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或矩形等。,3.2 望远系统,一、望远系统的结构,一、望远系统的基本结构 光学数据 视角放大率: 视场角:2 出瞳直径:D 出瞳距离lz 物镜焦距:f物 目镜焦距:f目,二、望远系统的光学

7、参数 1.视觉放大率 望远镜的视角放大率与物体的位置无关，仅取决于望远系统的结构，欲增大视角放大率，必须增大物镜的焦距或减少目镜的焦距，但目镜的焦距不小于6mm，使得望远系统保持一定的出瞳距。,望远系统的分辨率： 按瑞利判断： 按道威判断： 即入射光瞳直径D越大，极限分辨率越高 视觉放大率和分辨率的关系 有效放大率：满足分辨要求的最小视觉放大率 工作放大率： 分辨角,2. 望远系统的分辨率,艾里斑半径,1. 开普勒望远镜： 物镜框是孔径光阑、分划板是视场光阑、出瞳、入瞳、目镜框是渐晕光阑 物方视场角为： 视场角2一般不超过15 2. 伽利略望远镜 瞳孔为孔径光阑，物镜框为视场光阑 渐晕当视场为

8、50渐晕（K=50%）时，其视场角 最大视场（渐晕系数K0）,视觉放大率,视 场,3. 望远镜的视场,开普勒望远镜,伽利略望远镜,2. 其它形式的望远系统,三、望远系统中的光束限制,光瞳衔接原则：前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合。 孔径光阑在不同位置处的计算 1) 物镜左侧10mm 2) 物镜上 3) 物镜右侧10mm 孔径光阑处于不同位置时光束的成像,三、望远光学系统小结,两个光学系统连用时，一般应满足光瞳衔接原则 目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm 望远光学系统的孔径光阑大致在物镜左右 可放分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。,3.3 显微镜系统中的光束限制与分析,一、简单显微镜系统的光束限制 远心光路 二、场镜的应用 场镜 场镜的作用：压低光线，减小后续光阑光瞳直径,三、显微镜光学系统小结,一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微镜上，一次实像面处安置系统的视场光阑。 显微系统用于测长等目的时，为了消除测量误差，孔径光阑安放在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远心光路” 在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径。,二、光学系统的景深,4. 例题 设 入射光瞳直径为 当把对准平面调焦在无穷远处时，求近景位置，若使远景平面无限远，求对准平面和近景位置。若使 求远