工程光學(xué)第四章課件

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

第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌(Stops)第一節(jié)光闌1、孔徑光闌的定義和作用一、孔徑光闌(ApertureStops)

★含義1：限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角大小的光闌?！拗瞥上窆馐统上穹秶锖x2：孔徑光闌的位置不同，但都起到了對(duì)軸上物點(diǎn)成像光束寬度的限制作用；只需相應(yīng)的改變光闌大小，即可保證軸上物點(diǎn)成像光束的孔徑角不變。2、入射光瞳與出射光瞳(EntranceandExitpupils)★Pupils：

TheimageoftheApertureStops★入射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）★出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）照相機(jī)鏡頭中的孔徑光闌孔徑光闌孔徑光闌物像關(guān)系后面光學(xué)系統(tǒng)入瞳出瞳孔徑光闌前面光學(xué)系統(tǒng)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)★孔徑光闌、入瞳與出瞳出瞳入瞳孔徑光闌1）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。2）出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。3）孔徑光闌：實(shí)際起對(duì)光束限制作用的元件，決定了入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。★成像張角比較法：

a.將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（各個(gè)透鏡和光圈等），對(duì)其前面的光學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；b.由物位置（軸上點(diǎn)）向各像邊緣、第一個(gè)透鏡邊緣分別作連線(xiàn)，求張角最小值即為入瞳，相應(yīng)的共軛物為孔徑光闌；c.孔徑光闌對(duì)后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。例1：已知物點(diǎn)A離透鏡1的距離為-l1=30mm，透鏡1的通光口徑D1=30mm,光孔2的直徑D2=22mm，像點(diǎn)A’離透鏡的距離l1′=60mm，透鏡與光孔之間距離為d=10mm，試確定這個(gè)系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。ABA'B'12解：判斷孔徑光闌：軸上物點(diǎn)的成像張角比較法1）透鏡1框內(nèi)孔相對(duì)于前面光學(xué)系統(tǒng)的像與自身重合。2）光孔2相對(duì)于前面透鏡成像：2′ABA'B'123）D1，D2'對(duì)軸上物點(diǎn)A的張角：

D2′的張角最小，最能限制軸上物點(diǎn)A的成像光束，為入瞳，即光孔2為孔徑光闌，U2為物方孔徑角。光孔2后面無(wú)透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，U2′為像方孔徑角。2′★理想光學(xué)系統(tǒng)：主光線(xiàn)必然通過(guò)入瞳及出瞳的中心。4、主光線(xiàn)（Chiefray）：出瞳入瞳孔徑光闌★定義：離軸物點(diǎn)發(fā)出的、通過(guò)孔徑光闌中心的光線(xiàn)?！镏鞴饩€(xiàn)是通過(guò)孔徑光闌、并參與成像的物光束的中心光線(xiàn)。二、視場(chǎng)光闌(FieldStops)

1、視場(chǎng)光闌:★定義：在物/像面上安放的、限定光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌?！镂锓揭晥?chǎng)：能夠清晰成像的物面范圍；★像方視場(chǎng)：相應(yīng)的能夠清晰成像的像面范圍；2、入射窗與出射窗★入射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）★出射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）3、視場(chǎng)光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。視場(chǎng)光闌

限制物平面或物空間范圍的光闌稱(chēng)視場(chǎng)光闌。

Q1Q2是視場(chǎng)光闌。Q'1Q'2為入射窗;Q1Q2本身也為出射窗。通常設(shè)置在系統(tǒng)的實(shí)像平面或物平面出射光瞳孔徑光闌入射光瞳BAQ1Q2P1P2P'2P'1P''1P''2O1P''PP'O2-UU'視場(chǎng)光闌(出射窗)入射窗Q1’Q2’B'ABO'2O1O2PP'A'ωP''ω'入射窗出射光瞳孔徑光闌入射光瞳孔徑光闌為無(wú)限小時(shí)，物面范圍由入窗邊緣與入瞳中心連線(xiàn)決定。線(xiàn)視場(chǎng):物方線(xiàn)視場(chǎng)為物高的兩倍，以2y表示。像方線(xiàn)視場(chǎng)為像高的兩倍，以2y'表示。減小孔徑光闌并不會(huì)對(duì)視場(chǎng)產(chǎn)生影響孔徑光闌的變化孔徑光闌BAP1P2O1P''PPO2-UU'主光線(xiàn)視場(chǎng)光闌在像方對(duì)光線(xiàn)的限制在本質(zhì)上是在物方對(duì)光線(xiàn)的限制。例：有一個(gè)由三個(gè)光學(xué)零件組成的光組，透鏡O1,其口徑D1＝4mm．f’1=36mm，透鏡O2，其口徑D2＝12mm，f’2=15mm,二透鏡間隔195mm，在離透鏡O1右180mm處設(shè)有一光孔D3＝10mm，物點(diǎn)離透鏡Ol為-45mm．1）求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置?2)求視場(chǎng)光闌和入窗出窗的大小和位置？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mmAO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm透鏡O2經(jīng)O1成像

AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（1）求孔徑光闌、入瞳、出瞳U1最小，故物鏡框O1是入瞳，也是孔徑光闌。它經(jīng)O2的像為出瞳。

AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（2）求視場(chǎng)光闌、入窗、出窗

故光孔O3為視場(chǎng)光闌，入窗與物平面重合，大小為2.5mm，出窗在無(wú)窮遠(yuǎn)

ω3ω2f/1f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64

★軸上物點(diǎn)：孔徑光闌在不同位置，對(duì)成像光束寬度的限制作用相同：都是光束的中間部分參與成像?！镙S外物點(diǎn)：孔徑光闌在不同位置，參與成像光束的空間位置不同，成像質(zhì)量不同?！S外光束決定孔徑光闌的位置假設(shè)：透鏡口徑足夠大M′N(xiāo)′MNA′A光闌位置對(duì)成像光束的影響光闌位置對(duì)成像光束的影響孔徑光闌位置移動(dòng)，對(duì)軸上成像光束并無(wú)影響。光闌位置對(duì)成像光束的影響光闌位置對(duì)成像光束的影響光闌位置對(duì)成像光束的影響光闌位置對(duì)成像光束的影響孔徑光闌位置移動(dòng)，對(duì)軸外成像光束有明顯影響。1、漸暈現(xiàn)象：像平面的邊緣比中間暗（離軸物點(diǎn)）。二、漸暈光闌（Vignettingstop）

漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌

軸外物點(diǎn)充滿(mǎn)孔徑光闌的光束被部分地?cái)r截，稱(chēng)為“漸暈”。該光闌稱(chēng)為“漸暈光闌”，漸暈光闌多為透鏡框。漸暈光闌的作用是參與限制軸外點(diǎn)成像光束。漸暈光闌“漸暈系數(shù)”：

三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié)3、感光底片邊框，即視場(chǎng)光闌；1、根據(jù)軸外光束的像質(zhì)選擇孔徑光闌位置；2、軸外點(diǎn)成像光束寬度取決于孔徑光闌、漸暈光闌均有關(guān)；4、孔徑光闌一般為圓形，視場(chǎng)光闌為圓形或者矩形?？讖焦怅@在物鏡中的位置

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2、光學(xué)參數(shù)★視覺(jué)放大率：★視場(chǎng)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(jiǎn)化圖與人眼聯(lián)用,滿(mǎn)足光瞳銜接原則★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(duì)眼睛張角的正切，與該物體直接對(duì)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3、分劃板——視場(chǎng)光闌分劃板位于物、目?jī)社R的共同焦面上：入射窗、出射窗均在無(wú)窮遠(yuǎn)處，分別與物、像面重合。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖出瞳入瞳hz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(xiàn)的投射高度望遠(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(chǎng)光闌；孔徑光闌對(duì)目鏡成的像距即為出瞳距離lz>6mmhz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2）光闌在物鏡上：

正切計(jì)算法3）光闌在物鏡右側(cè)10mm：

正切計(jì)算法三、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(shí)，一般應(yīng)滿(mǎn)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(chǎng)光闌。3、孔徑光闌大致在物鏡左右；

4、光闌位置對(duì)軸外光束位置的選擇(1)(1)(2)(3)(3)(2)

第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析

一、簡(jiǎn)單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制

1、顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成二、遠(yuǎn)心光路

1、孔徑光闌在物鏡上(a)測(cè)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(cè)量誤差。1)入瞳與物鏡邊框重合；2、孔徑光闌在物鏡的像方焦平面上1)入瞳位于物方無(wú)窮遠(yuǎn)。A和A1、B和B1的主光線(xiàn)分別重合，且軸外點(diǎn)的主光線(xiàn)平行于主軸。3)主光線(xiàn)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(gè)彌散斑的中心間隔始終不變?！?/p>

物方遠(yuǎn)心光路

(a)測(cè)距原理：(b)調(diào)焦不準(zhǔn)：三、場(chǎng)鏡的應(yīng)用

缺點(diǎn)：出射主光線(xiàn)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(zhǎng)光路。1、長(zhǎng)光路顯微鏡系統(tǒng)

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

★效果：主光線(xiàn)經(jīng)場(chǎng)鏡后通過(guò)-1×轉(zhuǎn)像透鏡中心，從而對(duì)后面系統(tǒng)的口徑要求最小。場(chǎng)鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用?！飳?shí)際設(shè)計(jì)：在-1×轉(zhuǎn)像透鏡前、物鏡的實(shí)像面處加場(chǎng)鏡。場(chǎng)鏡的應(yīng)用四、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(zhǎng)光路顯微鏡系統(tǒng)：利用場(chǎng)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(chǎng)光闌；3、測(cè)長(zhǎng)顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上

——物方遠(yuǎn)心光路第五節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果一、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(gè)像平面上。對(duì)準(zhǔn)平面景像平面共軛以入瞳中心為投影中心，以各空間點(diǎn)的主光線(xiàn)為投影方向，向?qū)?zhǔn)平面投影，對(duì)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(duì)準(zhǔn)平面外的空間點(diǎn)，在景象平面產(chǎn)生一個(gè)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)。或：在像空間以出瞳中心為投影中心，仍以各空間點(diǎn)的主光線(xiàn)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。2、透視失真——

投影中心前后移動(dòng)，所得投影像與景物不成比例。

3、景像畸變

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)★對(duì)