05 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制

1、光學(xué)系統(tǒng)的光束限制光學(xué)系統(tǒng)的光束限制一、孔徑光闌和入瞳、出瞳二、視場光闌、入射窗、出射窗三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深提綱概述光闌的概念光學(xué)系統(tǒng)中可以限制光束的光學(xué)元件的邊框，或者帶孔的金屬薄片通稱為光闌。 光闌的形狀：圓形、方形、矩形概述 光闌的分類孔徑光闌：限制軸上物點(diǎn)成像光束立體角的光闌視場光闌：限制空間中成像范圍的光闌消雜光光闌：限制那些非成像物體射來的雜光（各折射面反射的光和儀器內(nèi)壁反射的光等）的光闌 光闌根據(jù)在光學(xué)系統(tǒng)中的作用不同主要有三類：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。概述光闌的作用例子

2、：以普通照相機(jī)來說明光闌可變光闌可變光闌底片底片概述孔徑光闌 光學(xué)系統(tǒng)中對于光軸上物點(diǎn)發(fā)出的光束起主要限制作用的光闌。一、孔徑光闌和入瞳、出瞳入瞳：孔徑光闌經(jīng)前面光組所成的像一、孔徑光闌和入瞳、出瞳特點(diǎn)：決定了物方孔徑角的大小，是所有光線的入口出瞳：孔徑光闌經(jīng)后面的光組所成的像一、孔徑光闌和入瞳、出瞳特點(diǎn)：決定了像方孔徑角的大小，是所有光線的出口孔徑光闌與入瞳、出瞳之間的關(guān)系一、孔徑光闌和入瞳、出瞳 主光線：通過入射光瞳中心的光線由于共軛關(guān)系，主光線也必然通過孔徑光闌中心和出瞳中心。 主光線的特點(diǎn)：一、孔徑光闌和入瞳、出瞳 相對孔徑：入瞳直徑與整個系統(tǒng)的焦距f之比 光瞳數(shù)：相對孔徑的倒數(shù) 數(shù)值

3、孔徑：NA=nsinu一、孔徑光闌和入瞳、出瞳必須注意：1、 光學(xué)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(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，直徑最小的一個光孔像就是系統(tǒng)的入瞳。一、孔徑光闌和入瞳、出瞳o 光學(xué)系統(tǒng)的成像范圍是有限的。n 照相機(jī)中底片框限制了被成像范圍的大小。 n 工具顯微鏡中分劃板的直徑?jīng)Q定成像物體的大小。 視場光闌：限制物體成像范圍的光闌稱為視場光闌。二、視場光闌、入射窗、出射窗 入射窗：與孔徑光闌類似，視場光闌被其前面的光組在整個系統(tǒng)

4、的物空間所成的像稱為入射窗（簡稱入窗）。 出射窗：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）n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。o 可找出系統(tǒng)中哪一個光孔是視場光闌。o 入射窗限制著物空間的成像范圍。二、視場光闌、入射窗、出射窗n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。 n出射窗限制了像方視場范圍n入射窗和出射窗共軛。 n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(xué)系統(tǒng)的視場角。n當(dāng)物體在無限遠(yuǎn)時，常用

5、視場角表示光學(xué)系統(tǒng)的視場，以2表示。n當(dāng)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。二、視場光闌、入射窗、出射窗漸暈：軸外點(diǎn)發(fā)出的充滿入瞳的光，被透鏡通光口徑所攔截的現(xiàn)象（普遍存在30%50%）n以上只討論了入射光瞳為無限小時的情況。n實(shí)際上光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳總有一定的大小。n在多數(shù)情況下，入射窗并不能完全決定光學(xué)系統(tǒng)的成像范圍。二、視場光闌、入射窗、出射窗A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1在物面上按其成像光束孔徑角的不同可分為三個區(qū)域：p第一個區(qū)域是以B1A為半徑的圓形區(qū)，其中每個點(diǎn)均以充滿入射光瞳的全部

6、光束成像。p此區(qū)域之邊緣點(diǎn)B1由入射光瞳下邊緣P2和入射窗下邊緣點(diǎn)M2的連線所確定。 二、視場光闌、入射窗、出射窗A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1p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(diǎn)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(diǎn)到B2點(diǎn)，其能通過入射光瞳的光束，由100%到50%漸變，這就是軸外點(diǎn)的漸暈現(xiàn)象。p此區(qū)域的邊緣點(diǎn)B2由入射光瞳中心P和入射窗下邊緣M2的連線確定。二、視場光闌、入射窗、出射窗A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP

7、2P2P2P P P1P1P1p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，p在此區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的光束漸暈更為嚴(yán)重，由B2點(diǎn)到B3點(diǎn)，其漸暈系數(shù)由50%降低到0。pB3點(diǎn)是可見視場最邊緣點(diǎn)，它由入射光瞳上邊緣點(diǎn)P1和入射窗下邊緣點(diǎn)M2的連線所決定。 二、視場光闌、入射窗、出射窗A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1p以上三個區(qū)域只是大致的劃分，實(shí)際上在物平面上，由B1到B3點(diǎn)的漸暈系數(shù)由100%到0是漸變的，并沒有明顯的界限。二、視場光闌、入射窗、出射窗n入射光瞳具有一定大小時，沒有漸暈的情況也是存在的。 n入射窗和物平

8、面相重合。 n或者把視場光闌設(shè)置在像平面上。n視場具有清晰的界限。 物平面物平面入窗入窗入瞳入瞳出瞳出瞳像平面像平面視場光闌視場光闌出窗出窗減少漸暈現(xiàn)象的方法二、視場光闌、入射窗、出射窗n綜上所述，孔徑光闌和視場光闌是光學(xué)系統(tǒng)中起重要作用的兩種光闌，n前者主要限制成像光束的孔徑，即決定像的照度。n后者決定視場，即物體被成像的范圍。n n切不可把孔徑光闌和視場光闌混為一談 二、視場光闌、入射窗、出射窗 上節(jié)討論在垂直于光軸的平面上點(diǎn)的成像問題。n 如：照相制版物鏡和電影放映物鏡 實(shí)際上有很多光學(xué)儀器需要把空間中的物點(diǎn)成像在一個像平面上（稱為平面上的空間像），如望遠(yuǎn)鏡和照相物鏡等就屬于這一類。 三

9、、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深入瞳入瞳出瞳出瞳BB1abB01B2B3B4PPAB04B03B02B2”B3”B4”B1”B4B3B2ABabB1AB對準(zhǔn)平面對準(zhǔn)平面AB景像平面景像平面三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深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(diǎn)的成像，相當(dāng)于以入射光瞳中心為投影中心，以主光線為投影線，將各點(diǎn)投影到對準(zhǔn)平面上后，再成像到景象平面上。n或者在像空間以出射光瞳中心為投影中心，各空間像點(diǎn)沿主光線投影到景象平面上，即是空間物點(diǎn)的平面像。 三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深n如果入瞳位置對于物方空間點(diǎn)（即景物）位置發(fā)生變化，則景象也隨之變化。n投影中

10、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(zhǔn)平面對準(zhǔn)平面AAAAPPS1S2入射光瞳入射光瞳出射光瞳出射光瞳景像平面景像平面P三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深任何光接收器都不能接受到真正的幾何像點(diǎn)，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(diǎn)一個光學(xué)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)三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深n根據(jù)理想光學(xué)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。n討論:當(dāng)入射光瞳一定時，在物空間有多大深度范圍的物體能在景

11、象平面上成清晰像(以攝影物鏡為例）。 ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1設(shè)在B1點(diǎn)和B2點(diǎn)之間的物空間各點(diǎn)均能在像平面A成清晰像三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1l1=p1-p稱為后景深；l2=p-p2稱為前景深總景深l=l1+l2=p1-p2為前后景深之和三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1A為對準(zhǔn)平面，其對應(yīng)的是景像平面A三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B

12、2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1能成清晰像的最遠(yuǎn)平面（B1）稱為遠(yuǎn)景能成清晰像的最近平面（B2）稱為近景 三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深11z z22z zll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深DpppzpppDz111111DpppzpppDz222222ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深222ppz Dp111ppz Dpll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦

13、深人在看圖片時，一般是把圖片放在眼前250mm處，被稱為明視距離Mll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深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(diǎn)ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深12z z M人眼的分辨率人眼的分辨率ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深11DppDz 22DppDz ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB

14、2AB1z2z1三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深MDpDp2MDpDp1ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1MDMpppl11MDMpppl22前景深前景深后景深后景深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深pf 由于那么p fxfll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光學(xué)系統(tǒng)的景深和焦深MDMpppl11MDMpppl22p fxfMpDfMpl21MpDfMpl22總景深為222222212pM fDpMDflll三、光學(xué)

15、系統(tǒng)的景深和焦深從l1、l2看出，攝影物鏡的后景深大于前景深 ，這與以下有關(guān)： 入瞳直徑D：當(dāng)D越小，其景深越大，反之則相反； 從DF=f 可知，若想獲得較大的景深需要較大的光圈指數(shù)F，但這時在f 不變的情況下，入瞳較小所進(jìn)入的光能也較小，需要較長的曝光時間。 當(dāng)共軛面的一定時， f 越長，則對準(zhǔn)平面越遠(yuǎn)，即p越大，景深越大。例題1： 有一攝影物鏡，若要求對準(zhǔn)平面后的空間均能在景像平面上成清晰像，問對準(zhǔn)距離應(yīng)為多少？近景位于何處？解：欲使 為無限大，其公式的分母為零，就有 將p值代入前景深公式，就可得到前景深和近景距：MDfp MDfl22MDflpp222MpDfMpl211l例題例題2： 照相機(jī)物鏡焦距為照相機(jī)物鏡焦距為75mm，在對準(zhǔn)平面離相機(jī)，在對準(zhǔn)平面離相機(jī)2m時，時，所用的光圈指數(shù)為所用的光圈指數(shù)為11和和5.6；設(shè)眼睛分辨率為；設(shè)眼睛分辨率為1.5，求這兩種情，求這兩種情況下的景深大小？況下的景深大小？n當(dāng)當(dāng)F=11時，其入瞳時，其入瞳D為為 當(dāng)