工程光學(xué)郁道銀課件

工程光學(xué)

第4章-2

光學(xué)系統(tǒng)中的光闌

與光束限制工程光學(xué)

第4章-2

光學(xué)系統(tǒng)中的光闌

與光束限制1本章內(nèi)容提要第一節(jié)光闌第二節(jié)照相系統(tǒng)的光闌第三節(jié)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析第五節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深第六節(jié)數(shù)碼照相機(jī)鏡頭的景深（自學(xué)）本章內(nèi)容提要第一節(jié)光闌2

第三節(jié)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇

一、雙目望遠(yuǎn)鏡的組成

1、構(gòu)成轉(zhuǎn)像物鏡、目鏡的共同焦面上第三節(jié)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇32、光學(xué)參數(shù)★視覺放大率：★視場角：★物鏡焦距：★目鏡焦距：★出瞳直徑：★出瞳距離：望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖與人眼聯(lián)用,滿足光瞳銜接原則2、光學(xué)參數(shù)★視覺放大率：★視場角：★物4★目視光學(xué)系統(tǒng)的視角放大率：遠(yuǎn)處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對眼睛張角的正切，與該物體直接對眼睛張角的正切之比。*概念區(qū)別：角放大率復(fù)習(xí)：第二章★目視光學(xué)系統(tǒng)的視角放大率：*概念區(qū)別：角放大率復(fù)習(xí)：第二章53、分劃板——視場光闌分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：入射窗、出射窗均在無窮遠(yuǎn)處，分別與物、像面重合。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖出瞳入瞳3、分劃板——視場光闌分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：6hz物hz目hz分1）物鏡的左側(cè)10mm；2）物鏡上；3）物鏡右側(cè)10mm。2、孔徑光闌的位置：二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光束限制

1、光瞳銜接原則：

——前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合?！镒粉E主光線的投射高度hz物hz目hz分1）物鏡的左側(cè)10mm；2、孔徑光闌的位置7望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光闌位置實(shí)際系統(tǒng)中，物鏡框前后10mm左右放置孔徑光闌；分劃板為視場光闌；孔徑光闌對目鏡成的像距即為出瞳距離lz>6mm望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光闌位置實(shí)際系統(tǒng)中，物鏡框前后10mm左右放置孔8hz物hz目hz分1）光闌在物鏡的左側(cè)10mm（ω=4.25°）：

正切計(jì)算法hz物hz目hz分1）光闌在物鏡的左側(cè)10mm（ω=4.2592）光闌在物鏡上：

正切計(jì)算法2）光闌在物鏡上：103）光闌在物鏡右側(cè)10mm：

正切計(jì)算法3）光闌在物鏡右側(cè)10mm：正切計(jì)算法11通光口徑計(jì)算（表4-1）

h為軸上點(diǎn)邊緣光線投射高度（平行光線）通光口徑計(jì)算（表4-1）h為軸上點(diǎn)邊緣光線投射高度（平行光12三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)1、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則；2、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于6mm；4、分劃板就是視場光闌。3、孔徑光闌大致在物鏡左右；

4、光闌位置對軸外光束位置的選擇(1)(1)(2)(3)(3)(2)三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)1、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應(yīng)滿足13

第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析

一、簡單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制

1、顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析14二、遠(yuǎn)心光路

1、孔徑光闌在物鏡上(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準(zhǔn)：2)由于調(diào)焦不精確，引起像平面和標(biāo)尺平面不重合，從而導(dǎo)致測量誤差。1)入瞳與物鏡邊框重合；二、遠(yuǎn)心光路1、孔徑光闌在物鏡上(a)測距原理：(b)152、孔徑光闌在物鏡的像方焦平面上1)入瞳位于物方無窮遠(yuǎn)。A和A1、B和B1的主光線分別重合，且軸外點(diǎn)的主光線平行于主軸。3)主光線是物點(diǎn)成像光束的中心軸，則物點(diǎn)A1B1在刻尺平面構(gòu)成的兩個彌散斑的中心間隔始終不變?！锓竭h(yuǎn)心光路

(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準(zhǔn)：2、孔徑光闌在物鏡1)入瞳位于物方無窮遠(yuǎn)。A和A1、B和B16三、場鏡的應(yīng)用

缺點(diǎn)：出射主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的口徑必須非常大。

-1×透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)：加長光路。1、長光路顯微鏡系統(tǒng)三、場鏡的應(yīng)用17

2、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法-1×轉(zhuǎn)像系統(tǒng)★場鏡：與像平面重合、或者很靠近像平面的透鏡。

★效果：主光線經(jīng)場鏡后通過-1×轉(zhuǎn)像透鏡中心，從而對后面系統(tǒng)的口徑要求最小。場鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用。★實(shí)際設(shè)計(jì)：在-1×轉(zhuǎn)像透鏡前、物鏡的實(shí)像面處加場鏡。2、降低主光線，18場鏡的應(yīng)用場鏡的應(yīng)用19四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；4、長光路顯微鏡系統(tǒng)：利用場鏡達(dá)到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，減小光學(xué)零件尺寸。2、一次實(shí)像面處安放視場光闌；3、測長顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上

——物方遠(yuǎn)心光路四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡20第五節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果第五節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果21一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像1、平面上的空間像：空間點(diǎn)成像于一個像平面上。對準(zhǔn)平面景像平面共軛一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像1、平面上的空間像：空間點(diǎn)成像于一個像平22以入瞳中心為投影中心，以各空間點(diǎn)的主光線為投影方向，向?qū)?zhǔn)平面投影，對應(yīng)投影點(diǎn)在景象平面上的共軛點(diǎn)即為空間點(diǎn)的平面像?！锲矫嫔系目臻g像的獲得：★對準(zhǔn)平面外的空間點(diǎn)，在景象平面產(chǎn)生一個彌散斑。彌散斑的直徑與入瞳直徑、與景象平面的距離有關(guān)?；颍涸谙窨臻g以出瞳中心為投影中心，仍以各空間點(diǎn)的主光線為投影方向，各空間像點(diǎn)向景象平面投影，可得空間點(diǎn)的平面像。以入瞳中心為投影中心，以各空間點(diǎn)的主光23

二、光學(xué)系統(tǒng)的景深★成像空間的景深：在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度。

遠(yuǎn)景平面近景平面入瞳中心：物空間參數(shù)的起算原點(diǎn)出瞳中心：像空間參數(shù)的起算原點(diǎn)二、光學(xué)系統(tǒng)的景24★對準(zhǔn)平面的彌散斑直徑：★景像平面的彌散斑直徑：★由相似三角形得：兩個因素：觀測距離、極限分辨角★對準(zhǔn)平面的彌散斑直徑：★景像平面的彌散斑直徑：★由相似三角25★正確透視距離：觀察距離滿足照片上各點(diǎn)對人眼睛的張角，與直接觀察空間時各對應(yīng)點(diǎn)對眼睛的張角相等。眼睛以下推導(dǎo)不考慮正負(fù)號以照相機(jī)為例，分析人眼看照片認(rèn)為是清晰圖像的情況：★正確透視距離：觀察距離滿足照片上各點(diǎn)對人眼睛的張角，與直26★對準(zhǔn)平面上對應(yīng)彌散斑的允許值：★遠(yuǎn)景、近景到對準(zhǔn)平面的距離：★遠(yuǎn)景、近景到入瞳的距離：★景像平面（照片）上彌散斑直徑的允許值★對準(zhǔn)平面上對應(yīng)彌散斑的允許值：★遠(yuǎn)景、近景到對準(zhǔn)平面的距離27★總成像深度——景深★物方孔徑角U：軸上物點(diǎn)-入瞳邊緣連線與光軸的夾角。眼睛2a★總成像深度——景深★物方孔徑角U：軸上物點(diǎn)-入瞳邊緣連線與28例：照相機(jī)的原理圖例：照相機(jī)的原理圖29光圈大小對于景深的影響光圈大小對于景深的影響30對于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大對于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大31孔徑光闌——光圈相對孔徑D/f′(入瞳直徑與焦距之比)孔徑光闌——光圈相對孔徑D/f′(入瞳直徑與焦距之比)32例1：現(xiàn)有一照相機(jī)，其物鏡f′=75mm，現(xiàn)以常攝距離p=3m進(jìn)行拍攝，光圈的相對孔徑D/f′(入瞳直徑與焦距之比)分別采用1/3.5和1/22，試分別求其景深。解：例1：現(xiàn)有一照相機(jī)，其物鏡f′=75mm，現(xiàn)以常攝距離p=333F/3.5不同光圈的效果F/11F/32F/3.5不同光圈的效果F/11F/32341、使對準(zhǔn)平面前的整個空間都能在景像平面上成清晰像：即，遠(yuǎn)景深度：三、特例★景深：自入瞳前距離a/ε處的平面起至無限遠(yuǎn)。（對準(zhǔn)平面）近景位置：1、使對準(zhǔn)平面前的整個空間都能在景像平面上成清晰像：即，35

2、照相物鏡調(diào)焦到無限遠(yuǎn)：END4★景深：自入瞳前距離2a/ε處的平面起至無限遠(yuǎn)。（對準(zhǔn)平面）近景位置：2、照相物鏡調(diào)焦到無限遠(yuǎn)：END4★景深：自入瞳36（一）長景深的照片（一）長景深的照片37工程光學(xué)郁道銀課件38工程光學(xué)郁道銀課件39工程光學(xué)郁道銀課件40（二）短景深照片（二）短景深照片41工程光學(xué)郁道銀課件42工程光學(xué)郁道銀課件43工程光學(xué)郁道銀課件44作業(yè)-1圖3-2作業(yè)-1圖3-245作業(yè)-2

第4章課后習(xí)題4作業(yè)-2

第4章課后習(xí)題446工程光學(xué)

第4章-2

光學(xué)系統(tǒng)中的光闌

與光束限制工程光學(xué)

第4章-2

光學(xué)系統(tǒng)中的光闌

與光束限制47本章內(nèi)容提要第一節(jié)光闌第二節(jié)照相系統(tǒng)的光闌第三節(jié)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析第五節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深第六節(jié)數(shù)碼照相機(jī)鏡頭的景深（自學(xué)）本章內(nèi)容提要第一節(jié)光闌48

第三節(jié)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇

一、雙目望遠(yuǎn)鏡的組成

1、構(gòu)成轉(zhuǎn)像物鏡、目鏡的共同焦面上第三節(jié)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇492、光學(xué)參數(shù)★視覺放大率：★視場角：★物鏡焦距：★目鏡焦距：★出瞳直徑：★出瞳距離：望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖與人眼聯(lián)用,滿足光瞳銜接原則2、光學(xué)參數(shù)★視覺放大率：★視場角：★物50★目視光學(xué)系統(tǒng)的視角放大率：遠(yuǎn)處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對眼睛張角的正切，與該物體直接對眼睛張角的正切之比。*概念區(qū)別：角放大率復(fù)習(xí)：第二章★目視光學(xué)系統(tǒng)的視角放大率：*概念區(qū)別：角放大率復(fù)習(xí)：第二章513、分劃板——視場光闌分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：入射窗、出射窗均在無窮遠(yuǎn)處，分別與物、像面重合。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖出瞳入瞳3、分劃板——視場光闌分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：52hz物hz目hz分1）物鏡的左側(cè)10mm；2）物鏡上；3）物鏡右側(cè)10mm。2、孔徑光闌的位置：二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光束限制

1、光瞳銜接原則：

——前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合?！镒粉E主光線的投射高度hz物hz目hz分1）物鏡的左側(cè)10mm；2、孔徑光闌的位置53望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光闌位置實(shí)際系統(tǒng)中，物鏡框前后10mm左右放置孔徑光闌；分劃板為視場光闌；孔徑光闌對目鏡成的像距即為出瞳距離lz>6mm望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光闌位置實(shí)際系統(tǒng)中，物鏡框前后10mm左右放置孔54hz物hz目hz分1）光闌在物鏡的左側(cè)10mm（ω=4.25°）：

正切計(jì)算法hz物hz目hz分1）光闌在物鏡的左側(cè)10mm（ω=4.25552）光闌在物鏡上：

正切計(jì)算法2）光闌在物鏡上：563）光闌在物鏡右側(cè)10mm：

正切計(jì)算法3）光闌在物鏡右側(cè)10mm：正切計(jì)算法57通光口徑計(jì)算（表4-1）

h為軸上點(diǎn)邊緣光線投射高度（平行光線）通光口徑計(jì)算（表4-1）h為軸上點(diǎn)邊緣光線投射高度（平行光58三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)1、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則；2、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于6mm；4、分劃板就是視場光闌。3、孔徑光闌大致在物鏡左右；

4、光闌位置對軸外光束位置的選擇(1)(1)(2)(3)(3)(2)三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)1、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應(yīng)滿足59

第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析

一、簡單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制

1、顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析60二、遠(yuǎn)心光路

1、孔徑光闌在物鏡上(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準(zhǔn)：2)由于調(diào)焦不精確，引起像平面和標(biāo)尺平面不重合，從而導(dǎo)致測量誤差。1)入瞳與物鏡邊框重合；二、遠(yuǎn)心光路1、孔徑光闌在物鏡上(a)測距原理：(b)612、孔徑光闌在物鏡的像方焦平面上1)入瞳位于物方無窮遠(yuǎn)。A和A1、B和B1的主光線分別重合，且軸外點(diǎn)的主光線平行于主軸。3)主光線是物點(diǎn)成像光束的中心軸，則物點(diǎn)A1B1在刻尺平面構(gòu)成的兩個彌散斑的中心間隔始終不變?！锓竭h(yuǎn)心光路

(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準(zhǔn)：2、孔徑光闌在物鏡1)入瞳位于物方無窮遠(yuǎn)。A和A1、B和B62三、場鏡的應(yīng)用

缺點(diǎn)：出射主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的口徑必須非常大。

-1×透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)：加長光路。1、長光路顯微鏡系統(tǒng)三、場鏡的應(yīng)用63

2、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法-1×轉(zhuǎn)像系統(tǒng)★場鏡：與像平面重合、或者很靠近像平面的透鏡。

★效果：主光線經(jīng)場鏡后通過-1×轉(zhuǎn)像透鏡中心，從而對后面系統(tǒng)的口徑要求最小。場鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用。★實(shí)際設(shè)計(jì)：在-1×轉(zhuǎn)像透鏡前、物鏡的實(shí)像面處加場鏡。2、降低主光線，64場鏡的應(yīng)用場鏡的應(yīng)用65四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；4、長光路顯微鏡系統(tǒng)：利用場鏡達(dá)到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，減小光學(xué)零件尺寸。2、一次實(shí)像面處安放視場光闌；3、測長顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上

——物方遠(yuǎn)心光路四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡66第五節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果第五節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果67一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像1、平面上的空間像：空間點(diǎn)成像于一個像平面上。對準(zhǔn)平面景像平面共軛一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像1、平面上的空間像：空間點(diǎn)成像于一個像平68以入瞳中心為投影中心，以各空間點(diǎn)的主光線為投影方向，向?qū)?zhǔn)平面投影，對應(yīng)投影點(diǎn)在景象平面上的共軛點(diǎn)即為空間點(diǎn)的平面像?！锲矫嫔系目臻g像的獲得：★對準(zhǔn)平面外的空間點(diǎn)，在景象平面產(chǎn)生一個彌散斑。彌散斑的直徑與入瞳直徑、與景象平面的距離有關(guān)?；颍涸谙窨臻g以出瞳中心為投影中心，仍以各空間點(diǎn)的主光線為投影方向，各空間像點(diǎn)向景象平面投影，可得空間點(diǎn)的平面像。以入瞳中心為投影中心，以各空間點(diǎn)的主光69

二、光學(xué)系統(tǒng)的景深★成像空間的景深：在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度。

遠(yuǎn)景平面近景平面入瞳中心：物空間參數(shù)的起算原點(diǎn)出瞳中心：像空間參數(shù)的起算原點(diǎn)二、光學(xué)系統(tǒng)的景70★對準(zhǔn)平面的彌散斑直徑：★景像平面的彌散斑直徑：★由相似三角形得：兩個因素：觀測距離、極限分辨角★對準(zhǔn)平面的彌散斑直徑：★景像平面的彌散斑直徑：★由相似三角71★正確透視距離：觀察距離滿足照片上各點(diǎn)對人眼睛的張角，與直接觀察空間時各對應(yīng)點(diǎn)對眼睛的張角相等。眼睛以下推導(dǎo)不考慮正負(fù)號以照相機(jī)為例，分析人眼看照片認(rèn)為是清晰圖像的情況：★正確透視距離：觀察距離滿足照片上各點(diǎn)對人眼睛的張角，與直72★對準(zhǔn)平面上對應(yīng)彌散斑的允許值：★遠(yuǎn)景、近景到對準(zhǔn)平面的距離：★遠(yuǎn)景、近景到入瞳的距離：★