工程光學與技術(shù)

工程光學與技術(shù)第一頁，共六十六頁，2022年，8月28日一、光闌及其分類1、光闌光學系統(tǒng)中可以限制光束的光學元件的邊框，或者帶孔的金屬薄片通稱為光闌。第二頁，共六十六頁，2022年，8月28日2、光闌的分類

光闌根據(jù)在光學系統(tǒng)中的作用不同主要有三類：

孔徑光闌、視場光闌和消雜光光闌。第三頁，共六十六頁，2022年，8月28日光闌在光學系統(tǒng)中的作用：1、決定像面的照度。2、決定系統(tǒng)的視場。

3、限制光束中偏離理想位置的一些光線，用以改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量4、攔截系統(tǒng)中有害的雜散光。第四頁，共六十六頁，2022年，8月28日以普通照相機來說明光闌可變光闌底片第五頁，共六十六頁，2022年，8月28日§4-1孔徑光闌和入瞳、出瞳一、孔徑光闌、入瞳和出瞳定義：

光學系統(tǒng)中對于光軸上物點發(fā)出的光束起主要限制作用的光闌。第六頁，共六十六頁，2022年，8月28日孔徑光闌與入瞳、出瞳之間的關(guān)系第七頁，共六十六頁，2022年，8月28日

通過入射光瞳中心的光線稱為主光線由于共軛關(guān)系，主光線也必然通過孔徑光闌中心和出瞳中心。顯然，主光線是各個物點發(fā)出的成像光束的光束軸線。光束的孔徑角是表征實際光學系統(tǒng)功能的重要性能參數(shù)之一。它不但決定了像面的照度，而且還決定了光學系統(tǒng)分辨能力。

第八頁，共六十六頁，2022年，8月28日對于不同類型的光學系統(tǒng)，有不同的表示方法來表征這種孔徑角相應的性能參數(shù)

顯微系統(tǒng)和投影系統(tǒng)的物鏡常用nsinUmax表示，被稱之為數(shù)值孔徑，用NA表示，即

n—物方空間的介質(zhì)折射率。

物方孔徑角Umax越大，其數(shù)值孔徑也越大。

進入系統(tǒng)的光能越多，理論分辨本領(lǐng)越高。第九頁，共六十六頁，2022年，8月28日望遠系統(tǒng)和攝影系統(tǒng)常用相對孔徑A來表示

D

—入瞳直徑f’—物鏡焦距

相對孔徑A越大，表明能進入系統(tǒng)的光能也越多而照相機，則常用另一個術(shù)語—光闌指數(shù)，用F來表示，它是相對孔徑的倒數(shù)，即F俗稱光圈，相對孔徑越大時，光圈數(shù)值愈小。

第十頁，共六十六頁，2022年，8月28日必須注意：1、光學系統(tǒng)的孔徑光闌只是對一定位置的物體而言的。2、如果物體位置發(fā)生變化，原來限制光束的孔徑光闌將會失去限制光束的作用，光束會被其他光孔所限制。3、對于無限遠的物體，光學系統(tǒng)的所有光孔被其前面的光學零件在物空間所成的像中，直徑最小的一個光孔像就是系統(tǒng)的入瞳。第十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日二、孔徑光闌設置原則第十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日例:與眼睛配合使用的目視儀器第十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日光闌位置與光學零件重合第十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日光闌位置與像方焦平面重合第十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日在光學儀器中，很大一部分儀器用來測量長度。

一類儀器是光學系統(tǒng)有一定放大率，使被測物的像和標準刻尺相比，求被測物體的長度，如工具顯微鏡等計量儀器。另一類儀器是把一標尺放在不同的位置，光學系統(tǒng)改變放大率，使標尺的像等于一個已知值，來求儀器到標尺間距離，如大地測量儀器中的視距測量。物方遠心光路和像方遠心光路第十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日在工具顯微鏡光學系統(tǒng)的實像平面上，放置已知刻度值的透明刻尺（稱為分劃板）分劃板上刻尺的格值已考慮了物鏡的放大率。

按此方法測量，刻尺與物鏡之間的距離應保持不變，使物鏡的放大率保持常數(shù)這種測量方法的測量精度在很大程度上取決于像平面與刻尺平面的重合程度。

分劃板物鏡yBAy’A’B’第十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日由于入瞳在無限遠處，物方主光線平行于光軸的光學系統(tǒng)，故稱為物方遠心光路。

在大多數(shù)的計量光學儀器中，其孔徑光闌（或出瞳）常安置在顯微鏡物鏡或投影物鏡像方焦平面上以形成物方遠心光路以提高觀測精度。在光學儀器中常采用另一種光路→像方遠心光路。它是孔徑光闌（或入瞳）安置在整個光組的物方焦平面上形成的。第十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日光闌位置與光學零件重合第十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日光闌位置與物方焦平面重合第二十頁，共六十六頁，2022年，8月28日像方遠心光路常用在大地測量儀器（光組為望遠鏡系統(tǒng)）中以提高測距精度。這種光路也常用在照明系統(tǒng)中，以使它與成像系統(tǒng)的物方遠心光路相配合。第二十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日利用像方遠心光路測量距離第二十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日三、場鏡的應用第二十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日§4-2視場光闌、入射窗、出射窗光學系統(tǒng)的成像范圍是有限的。照相機中底片框限制了被成像范圍的大小。工具顯微鏡中分劃板的直徑?jīng)Q定成像物體的大小。這種限制物體成像范圍的光闌稱為視場光闌。第二十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日視場光闌與光窗第二十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日與孔徑光闌類似，視場光闌被其前面的光組在整個系統(tǒng)的物空間所成的像稱為入射窗（簡稱入窗）。視場光闌被其后面的光組在整個系統(tǒng)的像空間所成的像稱為出射窗（簡稱出窗）第二十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日把孔徑光闌以外的所有光孔通過其前面的光組成像，則在這些像中入射窗對入瞳中心的張角為最小?？烧页鱿到y(tǒng)中哪一個光孔是視場光闌。入射窗限制著物空間的成像范圍。第二十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日把除孔徑光闌外的所有光孔通過其后面的光組在整個系統(tǒng)的像空間成像時，出射窗對出射光瞳中心的張角為最小。

出射窗限制了像方視場范圍入射窗和出射窗共軛。

入射窗、視場光闌和出射窗在各自的空間對同一條主光線起限制作用，主光線和光軸間的夾角即表示整個光學系統(tǒng)的視場角。第二十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日當物體在無限遠時，常用視場角表示光學系統(tǒng)的視場，以2ω表示。當物體在有限距離時，常用物高表示視場，稱為線視場，以2y表示。視場光闌是對一定位置的孔徑光闌而言的。當孔徑光闌位置改變時，原來的視場光闌將可能被另外的光孔所代替。

第二十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日漸暈現(xiàn)象以上只討論了入射光瞳為無限小時的情況。實際上光學系統(tǒng)的入射光瞳總有一定的大小。在多數(shù)情況下，入射窗并不能完全決定光學系統(tǒng)的成像范圍。第三十頁，共六十六頁，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日在物面上按其成像光束孔徑角的不同可分為三個區(qū)域：第一個區(qū)域是以B1A為半徑的圓形區(qū)，其中每個點均以充滿入射光瞳的全部光束成像。此區(qū)域之邊緣點B1由入射光瞳下邊緣P2和入射窗下邊緣點M2的連線所確定。第三十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日第二個區(qū)域是以B1B2繞光軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的環(huán)形區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，每一點已不能用充滿入瞳的光束成像，在含軸面內(nèi)看光束，由B1點到B2點，其能通過入射光瞳的光束，由100%到50%漸變，這就是軸外點的漸暈現(xiàn)象。此區(qū)域的邊緣點B2由入射光瞳中心P和入射窗下邊緣M2的連線確定。第三十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日第三個區(qū)域是以B2B3繞光軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的環(huán)形區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)各點的光束漸暈更為嚴重，由B2點到B3點，其漸暈系數(shù)由50%降低到0。B3點是可見視場最邊緣點，它由入射光瞳上邊緣點P1和入射窗下邊緣點M2的連線所決定。第三十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日以上三個區(qū)域只是大致的劃分，實際上在物平面上，由B1到B3點的漸暈系數(shù)由100%到0是漸變的，并沒有明顯的界限。第三十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日減少漸暈現(xiàn)象的方法第三十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日入射光瞳具有一定大小時，沒有漸暈的情況也是存在的。入射窗和物平面相重合?；蛘甙岩晥龉怅@設置在像平面上。視場具有清晰的界限。

物平面入窗入瞳出瞳像平面視場光闌出窗第四十頁，共六十六頁，2022年，8月28日光學系統(tǒng)的視場大小用兩種方法表示

線視場：對近距離成像的光組，常用能看到的物平面直徑來表示。

視場角：對遠距離或無限遠物體成像的光組，常用角度來表示其視場的大小。這就是前面談到過的物方視場角2ω和像方視場角2ω'。

第四十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日綜上所述，孔徑光闌和視場光闌是光學系統(tǒng)中起重要作用的兩種光闌，前者主要限制成像光束的孔徑，即決定像的照度。后者決定視場，即物體被成像的范圍。

切不可把孔徑光闌和視場光闌混為一談

第四十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日§4-3光學系統(tǒng)的景深和焦深上節(jié)討論在垂直于光軸的平面上點的成像問題。如：照相制版物鏡和電影放映物鏡實際上有很多光學儀器需要把空間中的物點成像在一個像平面上（稱為平面上的空間像），如望遠鏡和照相物鏡等就屬于這一類。第四十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日入瞳出瞳BB1abB01B2B3B4PP’AB04B03B02B2”B3”B4”B1”B4’B3’B2’A’B’a’b’B1’AB—對準平面A’B’—景像平面第四十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日ab和a’

b’

的大小和入射光瞳的直徑有關(guān)，入射光瞳直徑減少，彌散斑也隨之減少

物空間各空間點的成像，相當于以入射光瞳中心為投影中心，以主光線為投影線，將各點投影到對準平面上后，再成像到景象平面上。或者在像空間以出射光瞳中心為投影中心，各空間像點沿主光線投影到景象平面上，即是空間物點的平面像。

第四十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日如果入瞳位置對于物方空間點（即景物）位置發(fā)生變化，則景象也隨之變化。投影中心作前后移動時，投影像的變化和景物是不成比例的，這種現(xiàn)象稱為景象畸變，也稱為透視失真。對準平面AA’AA’P’PS1S2入射光瞳出射光瞳景像平面P第四十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日根據(jù)理想光學系統(tǒng)特性，物空間一個平面，在像空間只有一個平面與之共軛。討論:當入射光瞳一定時，在物空間有多大深度范圍的物體能在景象平面上成清晰像(以攝影物鏡為例）。第四十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日任何光接收器都不能接受到真正的幾何像點，且分辨本領(lǐng)也不一樣，因此只要像的彌散斑足夠小并能滿足接受器的分辨本領(lǐng)，就可人為這個彌散斑是一個點一個光學系統(tǒng)是能對空間物體成一個清晰的平面像能在像平面上獲得清晰像并沿光軸方向的物空間深度稱為成像空間深度(景深)第四十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’設在B1點和B2點之間的物空間各點均能在像平面A’成清晰像第四十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’△l1=p1-p稱為后景深；△l2=p-p2稱為前景深總景深△l=△l1+△l2=p1-p2為前后景深之和第五十頁，共六十六頁，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’A為對準平面，其對應的是景像平面A’第五十一頁，共六十六頁，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’能成清晰像的最遠平面（B1）稱為遠景能成清晰像的最近平面（B2）稱為近景

第五十二頁，共六十六頁，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十三頁，共六十六頁，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十四頁，共六十六頁，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十五頁，共六十六頁，2022年，8月28日人在看圖片時，一般是把圖片放在眼前250mm處，被稱為明視距離M△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十六頁，共六十六頁，2022年，8月28日若彌散斑在明視距離對眼睛的張角小于分辨角，看上去就是一點△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十七頁，共六十六頁，2022年，8月28日ε—人眼的分辨率△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十八頁，共六十六頁，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十九頁，共六十六頁，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第六十頁，共六十六頁，2022年，8月28日前景深后景深△l△l1△l2p