確定孔徑光闌課件

工程光學(xué)EngineeringOptics1第五章光學(xué)系統(tǒng)中光束限制5.1孔徑光闌5.2視場(chǎng)光闌5.3漸暈光闌與漸暈系數(shù)5.4光學(xué)系統(tǒng)的景深25.1孔徑光闌

實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)不同，其參與成像的光束寬度和成像范圍都是有限的。限制來(lái)自于光學(xué)零件的尺寸大小和其他金屬框。從光學(xué)設(shè)計(jì)的角度看，如何合理的選擇成像光束是必須分析的問(wèn)題。光學(xué)系統(tǒng)不同，對(duì)參與成像的光束位置和寬度要求也不同。35.1孔徑光闌

光闌---在光學(xué)系統(tǒng)中限制成像光束口徑、或者是限制成像范圍的光孔或框稱為光闌。分為:孔徑光闌視場(chǎng)光闌漸暈光闌BB2A1B1A2L45.1孔徑光闌

夾持光學(xué)零件的金屬框（透鏡框、棱鏡框）限制了成像光束的大小。光孔的大小是可變化的，這種光闌稱為“可變光闌”。光闌是實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成滿意（完善）像必不可少的零件。55.1孔徑光闌

孔徑光闌(Aperturestop)---限制成像光束立體角,決定了軸上點(diǎn)成像光束中最邊緣光線的傾斜角(光束的孔徑角)Theaperturestop(AS)isdefinedtobethestoporlensring,whichphysicallylimitsthesolidangleofrayspassingthroughthesystemfromanon-axisobjectpoint.Theaperturestoplimitsthebrightnessofanimage.65.1孔徑光闌孔徑光闌對(duì)軸上點(diǎn)的光束和軸外光束限制L1M1N1M2N227-y

-UP'P1′P2′PP1P2U'y'QQ2Q出射光瞳入射光瞳孔徑光闌L1L2U—物方孔徑角U′—像方孔徑角8

入瞳(Entrancepupil):孔徑光闌被其前面的光學(xué)鏡組在物空間所成的像.實(shí)際進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光量由入瞳決定.入瞳決定了物點(diǎn)成像光束的最大孔徑,并且是物面上各點(diǎn)成像光束的公共入口.9

出瞳(ExitPupil):孔徑光闌被其后面的鏡組在系統(tǒng)像空間所成的像.實(shí)際離開(kāi)光學(xué)系統(tǒng)的光量由出瞳決定.出瞳是物面上各點(diǎn)成像光束自系統(tǒng)出射時(shí)的公共出口.出瞳是入瞳經(jīng)整個(gè)系統(tǒng)成的像.105.1孔徑光闌

Q1Q2:孔徑光闌

P1P2:入瞳入射光瞳對(duì)軸上物點(diǎn)A的張角P1AP2:物方孔徑角U對(duì)軸上點(diǎn)邊緣光線做光路計(jì)算時(shí)所取的孔徑角為該角.通過(guò)物點(diǎn)和入射光瞳中心的光線稱為主光線(Chiefray)通過(guò)物點(diǎn)和入瞳邊緣的光線稱為邊緣光線

(marginalray)

115.1孔徑光闌

Q1Q2:孔徑光闌

P’1P’2:出瞳出射光瞳對(duì)像面中心點(diǎn)A’的張角P’1A’P’2:

像方孔徑角U125.1孔徑光闌

135.1孔徑光闌

入射光瞳經(jīng)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)成的像為出射光瞳,兩者對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)共軛.主光線必然通過(guò)孔徑光闌中心和出瞳中心.主光線是物面各點(diǎn)發(fā)出的成像光束的中心光線.通過(guò)入瞳邊緣的光線也必通過(guò)孔徑光闌和出瞳的邊緣。光學(xué)系統(tǒng)中的孔徑光闌只是對(duì)一定的物體而言.物體位置變化,原來(lái)的孔闌可能會(huì)失去限制光束的作用,成像光束被其他光孔限制.145.1孔徑光闌

若孔徑光闌位于系統(tǒng)的最前邊，則系統(tǒng)的入瞳就是孔徑光闌；若孔徑光闌位于系統(tǒng)的最后邊，則孔徑光闌是系統(tǒng)的出瞳主光線（或主光線的延長(zhǎng)線）必通過(guò)入瞳、孔徑光闌和出瞳的中心。主光線是物面上各點(diǎn)成像光束的的中心線,他們構(gòu)成了以入瞳中心為頂點(diǎn)的同心光束.155.1孔徑光闌

確定孔徑光闌的方法把光具組中所有光闌當(dāng)作物，逐個(gè)地相對(duì)其前方系統(tǒng)成像。由軸上物點(diǎn)向每個(gè)像的邊緣引直線，其中與主光軸所夾銳角最小的入射孔徑角對(duì)應(yīng)的像即為入射光瞳，入射光瞳對(duì)應(yīng)的共軛物即為孔徑光闌。16當(dāng)實(shí)際光組中有多個(gè)光闌時(shí)，確定方法為：⑴：各個(gè)光學(xué)孔徑成像到物空間；⑵：由物點(diǎn)向光闌像邊緣引光線，找出光線與光軸的夾角；⑶：夾角最小者所對(duì)應(yīng)的光闌即為孔徑光闌。確定方法可以通過(guò)圖解法，也可以通過(guò)解析法。17例已知一光學(xué)系統(tǒng)由三個(gè)零件組成，透鏡1其焦距

f1′=-f1=100mm，口徑D1=40mm；透鏡2的焦距f2′=-f2=120mm，口徑D2=30mm，它和透鏡1之間的距離為d1=20mm；光闌3口徑為20mm，它和透鏡2之間的距離d2=30mm。物點(diǎn)A的位置L1=-200mm，試確定該光組中，哪一個(gè)光孔是孔徑光闌。

F1,F218圖解法為了使各光闌和物點(diǎn)A產(chǎn)生直接聯(lián)系，把它們?nèi)砍上竦轿锟臻g去。19由物點(diǎn)向各個(gè)像邊緣引光線，得到夾角最小者所對(duì)應(yīng)的光闌即為孔徑光闌。D’1D’2D’320

光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌只是對(duì)一定位置的物體而言的如果物體位置發(fā)生變化，原來(lái)限制光束的孔徑光闌將會(huì)失去限制光束的作用，光束會(huì)被其他光孔所限制。

對(duì)于無(wú)限遠(yuǎn)的物體，光學(xué)系統(tǒng)的所有光孔被其前面的光學(xué)零件在物空間所成的像中，直徑最小的一個(gè)光孔像就是系統(tǒng)的入瞳。21在對(duì)目視儀器，人眼瞳孔起著限制光束的作用。因此，應(yīng)確保光`學(xué)系統(tǒng)的出瞳和人眼瞳孔在位置上重合，大小也應(yīng)匹配合適。合理選擇孔徑光闌的位置可以改善軸外點(diǎn)成像質(zhì)量。225.1孔徑光闌

相對(duì)孔徑:入射光瞳直徑/系統(tǒng)焦距,.相對(duì)孔徑A越大，表明能進(jìn)入系統(tǒng)的光能也越多.而照相機(jī)，則常用另一個(gè)術(shù)語(yǔ)—光闌指數(shù)，用f來(lái)表示，它是相對(duì)孔徑的倒數(shù)，即F數(shù)(f-Number):相對(duì)孔徑倒數(shù).235.1孔徑光闌F數(shù)(f-Number):f/1,1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22D增加通光面積增加2,時(shí)間減少2245.1孔徑光闌f/32–smallapertureandslowshutterspeedf/2–largeapertureandfastshutterspeed255.2視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌:起限制成像范圍的光孔或框.265.2視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌:起限制成像范圍的光孔或框.有成實(shí)像或有中間實(shí)像的系統(tǒng)中必有位于此實(shí)像平面上的視闌.視場(chǎng)入射窗:視場(chǎng)光闌被其前面的光學(xué)鏡組在物空間所成的像.視場(chǎng)出射窗:視場(chǎng)光闌被其后面的光學(xué)鏡組在像空間所成的像.入射窗必與物面重和,出射窗必與像面重和.

光學(xué)系統(tǒng)的成像范圍是有限的。照相機(jī)中底片框限制了被成像范圍的大小.275.2視場(chǎng)光闌物方視場(chǎng)角:入射窗的邊緣對(duì)入瞳中心的張角.像方視場(chǎng)角:出射窗的邊緣對(duì)入瞳中心的張角.若物位于無(wú)窮遠(yuǎn),物方視場(chǎng)的大小以物方視場(chǎng)角表示28一、視場(chǎng)光闌的確定方法：（2）確定孔徑光闌；（1）用計(jì)算法或作圖法求每一光闌被它前面光組在物空間所成的像；⑶由入瞳中心向各光闌在物空間所成的像的邊緣引光線，夾角最小者所對(duì)應(yīng)的光闌即為視場(chǎng)光闌。29求上例中光組的視場(chǎng)光闌。

f1′=-f1=100mm，D1=40mm；f2′=-f2=120mm，D2=30mm，d1=20mm；

D3=20mm，d2=30mm，L1=-200mmD1D2D3F1,F230求出系統(tǒng)每一個(gè)光闌被它前面光組在物空間所成的像（此步驟在求孔徑光闌時(shí)已經(jīng)進(jìn)行）

D3（孔徑光闌）D2'D1D1'D2F1'F2'D3'33.33w1w2w331D1′

對(duì)入瞳中心的張角為D2′

本身是入瞳，D3′對(duì)入瞳中心的張角為D3′對(duì)入瞳中心的張角最小，故光闌3是視場(chǎng)光闌。32入窗限制物空間的可成像范圍出窗限制像空間的成像范圍入窗和出窗共軛。33物方視場(chǎng)角：在物空間中，入窗邊緣對(duì)入瞳中心的張角2

像方視場(chǎng)角：在像空間中，出窗邊緣對(duì)出瞳中心的張角2半視場(chǎng)角與也可以表示光組視場(chǎng)的大小，因此常把與稱為視場(chǎng)角。34視場(chǎng)光闌是對(duì)一定位置的孔徑光闌而言的。當(dāng)孔徑光闌位置改變時(shí)，原來(lái)的視場(chǎng)光闌將可能被另外的光孔所代替。盡量使入窗與物面重合，或像平面與出窗重合——不產(chǎn)生漸暈的必要條件。視場(chǎng)光闌總是設(shè)置在系統(tǒng)的物面、實(shí)像平面或中間實(shí)像平面上。如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)等都是安置在像面上，投影儀、放映機(jī)則位于物面上，視場(chǎng)光闌的大小分別為像面大小或是物面大小，個(gè)別儀器除外（如放大鏡和伽利略望遠(yuǎn)鏡等）35兩種光闌作用的比較對(duì)孔徑光闌與視場(chǎng)光闌孔徑光闌限制成像光束的孔徑，即決定像的照度、分辯率。視場(chǎng)光闌決定視場(chǎng)，即物體成像的范圍?？讖焦怅@縮小時(shí)，每一物點(diǎn)成像光束孔徑角變小，像面照度減小，但成像范圍不變視場(chǎng)光闌縮小時(shí)，成像范圍變小，但能成像物點(diǎn)的孔徑角不變，即像的照度不變。36為了改善軸外點(diǎn)的成像，常有意識(shí)地縮小某一、二個(gè)透鏡直徑，擋去一部分成像光線，這種被縮小直徑的透鏡或光孔造成圖像邊緣通光下降稱為漸暈。5.3漸暈光闌(VignettingStop)375.3漸暈光闌(VignettingStop)軸外光束的漸暈由軸外物點(diǎn)發(fā)出的充滿入瞳的光束中部分光線被其他光孔阻擋的現(xiàn)象叫軸外光束的漸暈——軸上與軸外物點(diǎn)成像光束大小不同的現(xiàn)象。B點(diǎn)發(fā)光--》充滿入瞳--》L1與L2攔光--》B點(diǎn)成像光束較A點(diǎn)少--》B點(diǎn)暗淡--》圖像邊緣模糊徑闌入瞳出瞳385.3漸暈光闌(VignettingStop)軸外光束的漸暈此時(shí),形成B圖像的光束決定于鏡框L

2.鏡框L

2稱為漸暈光闌.漸暈光闌通過(guò)它前面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像:漸暈入射窗.漸暈光闌通過(guò)它后面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像:漸暈出射窗徑闌入瞳出瞳395.3漸暈光闌405.3漸暈光闌/optics/vignetting.html415.3漸暈光闌入窗（出窗）與物（像）面不重合---》產(chǎn)生漸暈略去透鏡和其他光孔,僅畫(huà)出物平面、入瞳平面和漸暈光闌（與視場(chǎng)光闌重合）在物空間的像。在物面上按其成像光束孔徑角的不同,可分為三個(gè)區(qū)域:425.3漸暈光闌以AB1為半徑的圓形區(qū),每個(gè)點(diǎn)均以充滿入瞳的全部光束成像.此區(qū)之邊緣點(diǎn)Ｂ1由入射光瞳的下邊緣P2和入射窗下邊緣M2的連線確定.

435.3漸暈光闌以B1B2繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)域中,每一點(diǎn)不能用充滿入瞳的光束成像.由B1到B2,能通過(guò)入射光瞳的光束由100%到50%漸變,這就是軸外漸暈.

445.3漸暈光闌以B2B3繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)域中,各點(diǎn)的光束漸暈更嚴(yán)重.由B2到B3,漸暈系數(shù)由50%降到0.B3是可見(jiàn)勢(shì)場(chǎng)最邊緣點(diǎn).由入射光瞳邊緣點(diǎn)P1和入射窗下邊緣點(diǎn)M2連線決定.

455.3漸暈光闌用漸暈系數(shù)描述光束漸暈的程度.

軸外點(diǎn)能通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的成像光束在入(出)瞳面上的截面積與入(出)瞳面積之比稱面漸暈系數(shù)；軸外點(diǎn)能通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像的子午光束(即含軸面內(nèi)光束)在入(出)瞳面上的線度與入(出)瞳面直徑之比為線漸暈系數(shù)。

465.3漸暈光闌不存在漸暈的條件不存在漸暈,則B1B3=0,q=p漸暈入射窗和物平面重合(或漸暈出射窗和像平面重合)入射窗和物平面重合:成為視場(chǎng)入射窗475.4遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)48二、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；49遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)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(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)：50場(chǎng)鏡的特性及其應(yīng)用

可以減少目鏡的口徑場(chǎng)鏡51說(shuō)明(1)場(chǎng)鏡能夠改變成像光束的位置，而不影響系統(tǒng)的光學(xué)特性。位于像平面或者和像平面重合或者與像平面靠的很近的透鏡。(2)場(chǎng)鏡的特性(3)場(chǎng)鏡經(jīng)常被使用在連續(xù)成像的組合系統(tǒng)中。因?yàn)槠淝懊娴墓鈱W(xué)零件所成的像正好位于場(chǎng)鏡的主平面，通過(guò)場(chǎng)鏡后所成的像和原來(lái)像的大小相等。52第一個(gè)透鏡出射的光束全部進(jìn)入第二個(gè)透鏡，且第二個(gè)透鏡的口徑也不至于太大。(3)確定場(chǎng)鏡的焦距535.5光學(xué)系統(tǒng)的景深545.5光學(xué)系統(tǒng)的景深許多光學(xué)儀器中整個(gè)空間或部分空間的物點(diǎn)成像在一個(gè)平面上。理論上,只有空間中與像平面共軛的平面上的點(diǎn)才能真正成像在像平面上.，而其他點(diǎn)在像平面上成彌散斑。若彌散斑足小于接收儀器的分辨率或人眼睛的分辨率，則認(rèn)為該點(diǎn)成像清晰。對(duì)一定深度的空間在同一像平面上要求所成的像清晰。

像平面A’:景像平面

A:對(duì)準(zhǔn)平面55B1,B2

發(fā)出充滿入瞳的光束,與對(duì)準(zhǔn)平面相交為彌散斑z1和z2.像平面上彌散斑大小與光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳的大小和空間點(diǎn)距對(duì)準(zhǔn)平面的距離有關(guān).彌散斑足夠小,接收器所接收的影像認(rèn)為清晰,則彌散斑可以認(rèn)為是空間點(diǎn)在平面上成的像.景深:能夠在相平面上獲得足夠清晰的像的空間的深度.

=

1+

2遠(yuǎn)平面:

能夠成足夠清晰像的最遠(yuǎn)平面,

1:遠(yuǎn)景深度近平面:能夠成足夠清晰像的最近平面,

2:近景深度56在同一平面成像,彌散斑線度一致為彌散斑允許值垂軸放大率z

由系統(tǒng)決定57光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)景深度

1較近景深度

2大,景深

影響景深的因素:入瞳直徑2a，入瞳直徑越大,景深小。對(duì)