工程光學(xué)與技術(shù)

工程光學(xué)與技術(shù)第一頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日一、光闌及其分類1、光闌光學(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。第二頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日2、光闌的分類

光闌根據(jù)在光學(xué)系統(tǒng)中的作用不同主要有三類：

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

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(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日以普通照相機(jī)來(lái)說(shuō)明光闌可變光闌底片第五頁(yè)，共六十六頁(yè)，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(xué)系統(tǒng)中對(duì)于光軸上物點(diǎn)發(fā)出的光束起主要限制作用的光闌。第六頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日孔徑光闌與入瞳、出瞳之間的關(guān)系第七頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日

通過(guò)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(guò)孔徑光闌中心和出瞳中心。顯然，主光線是各個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的成像光束的光束軸線。光束的孔徑角是表征實(shí)際光學(xué)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(xué)系統(tǒng)分辨能力。

第八頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)于不同類型的光學(xué)系統(tǒng)，有不同的表示方法來(lái)表征這種孔徑角相應(yīng)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(jìn)入系統(tǒng)的光能越多，理論分辨本領(lǐng)越高。第九頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日望遠(yuǎn)系統(tǒng)和攝影系統(tǒng)常用相對(duì)孔徑A來(lái)表示

D

—入瞳直徑f’—物鏡焦距

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俗稱光圈，相對(duì)孔徑越大時(shí)，光圈數(shù)值愈小。

第十頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日必須注意：1、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。2、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。3、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。第十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日二、孔徑光闌設(shè)置原則第十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日例:與眼睛配合使用的目視儀器第十三頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日光闌位置與光學(xué)零件重合第十四頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日光闌位置與像方焦平面重合第十五頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日在光學(xué)儀器中，很大一部分儀器用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度。

一類儀器是光學(xué)系統(tǒng)有一定放大率，使被測(cè)物的像和標(biāo)準(zhǔn)刻尺相比，求被測(cè)物體的長(zhǎng)度，如工具顯微鏡等計(jì)量?jī)x器。另一類儀器是把一標(biāo)尺放在不同的位置，光學(xué)系統(tǒng)改變放大率，使標(biāo)尺的像等于一個(gè)已知值，來(lái)求儀器到標(biāo)尺間距離，如大地測(cè)量?jī)x器中的視距測(cè)量。物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路第十六頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日在工具顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)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(cè)量，刻尺與物鏡之間的距離應(yīng)保持不變，使物鏡的放大率保持常數(shù)這種測(cè)量方法的測(cè)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(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日由于入瞳在無(wú)限遠(yuǎn)處，物方主光線平行于光軸的光學(xué)系統(tǒng)，故稱為物方遠(yuǎn)心光路。

在大多數(shù)的計(jì)量光學(xué)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(yuǎn)心光路以提高觀測(cè)精度。在光學(xué)儀器中常采用另一種光路→像方遠(yuǎn)心光路。它是孔徑光闌（或入瞳）安置在整個(gè)光組的物方焦平面上形成的。第十八頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日光闌位置與光學(xué)零件重合第十九頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日光闌位置與物方焦平面重合第二十頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日像方遠(yuǎn)心光路常用在大地測(cè)量?jī)x器（光組為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)）中以提高測(cè)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(yuǎn)心光路相配合。第二十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日利用像方遠(yuǎn)心光路測(cè)量距離第二十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日三、場(chǎng)鏡的應(yīng)用第二十三頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日§4-2視場(chǎng)光闌、入射窗、出射窗光學(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。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(chǎng)光闌。第二十四頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日視場(chǎng)光闌與光窗第二十五頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日與孔徑光闌類似，視場(chǎng)光闌被其前面的光組在整個(gè)系統(tǒng)的物空間所成的像稱為入射窗（簡(jiǎn)稱入窗）。視場(chǎng)光闌被其后面的光組在整個(gè)系統(tǒng)的像空間所成的像稱為出射窗（簡(jiǎn)稱出窗）第二十六頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日把孔徑光闌以外的所有光孔通過(guò)其前面的光組成像，則在這些像中入射窗對(duì)入瞳中心的張角為最小?？烧页鱿到y(tǒng)中哪一個(gè)光孔是視場(chǎng)光闌。入射窗限制著物空間的成像范圍。第二十七頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日把除孔徑光闌外的所有光孔通過(guò)其后面的光組在整個(gè)系統(tǒng)的像空間成像時(shí)，出射窗對(duì)出射光瞳中心的張角為最小。

出射窗限制了像方視場(chǎng)范圍入射窗和出射窗共軛。

入射窗、視場(chǎng)光闌和出射窗在各自的空間對(duì)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(gè)光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角。第二十八頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)物體在無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，常用視場(chǎng)角表示光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)，以2ω表示。當(dāng)物體在有限距離時(shí)，常用物高表示視場(chǎng)，稱為線視場(chǎng)，以2y表示。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。

第二十九頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日漸暈現(xiàn)象以上只討論了入射光瞳為無(wú)限小時(shí)的情況。實(shí)際上光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的成像范圍。第三十頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，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(gè)區(qū)域：第一個(gè)區(qū)域是以B1A為半徑的圓形區(qū)，其中每個(gè)點(diǎn)均以充滿入射光瞳的全部光束成像。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。第三十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十三頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日第二個(gè)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(guò)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。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。第三十四頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十五頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日第三個(gè)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(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。B3點(diǎn)是可見(jiàn)視場(chǎng)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。第三十六頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十七頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日以上三個(gè)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(méi)有明顯的界限。第三十八頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日減少漸暈現(xiàn)象的方法第三十九頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日入射光瞳具有一定大小時(shí)，沒(méi)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?chǎng)光闌設(shè)置在像平面上。視場(chǎng)具有清晰的界限。

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

線視場(chǎng)：對(duì)近距離成像的光組，常用能看到的物平面直徑來(lái)表示。

視場(chǎng)角：對(duì)遠(yuǎn)距離或無(wú)限遠(yuǎn)物體成像的光組，常用角度來(lái)表示其視場(chǎng)的大小。這就是前面談到過(guò)的物方視場(chǎng)角2ω和像方視場(chǎng)角2ω'。

第四十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日綜上所述，孔徑光闌和視場(chǎng)光闌是光學(xué)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(chǎng)，即物體被成像的范圍。

切不可把孔徑光闌和視場(chǎng)光闌混為一談

第四十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日§4-3光學(xué)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(diǎn)的成像問(wèn)題。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(gè)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。第四十三頁(yè)，共六十六頁(yè)，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(duì)準(zhǔn)平面A’B’—景像平面第四十四頁(yè)，共六十六頁(yè)，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(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(duì)準(zhǔn)平面上后，再成像到景象平面上?；蛘咴谙窨臻g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。

第四十五頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日如果入瞳位置對(duì)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。投影中心作前后移動(dòng)時(shí)，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(duì)準(zhǔn)平面AA’AA’P’PS1S2入射光瞳出射光瞳景像平面P第四十六頁(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)理想光學(xué)系統(tǒng)特性，物空間一個(gè)平面，在像空間只有一個(gè)平面與之共軛。討論:當(dāng)入射光瞳一定時(shí)，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(yè)，共六十六頁(yè)，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(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(gè)彌散斑是一個(gè)點(diǎn)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)是能對(duì)空間物體成一個(gè)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(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’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’成清晰像第四十九頁(yè)，共六十六頁(yè)，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(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’A為對(duì)準(zhǔn)平面，其對(duì)應(yīng)的是景像平面A’第五十一頁(yè)，共六十六頁(yè)，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(yuǎn)平面（B1）稱為遠(yuǎn)景能成清晰像的最近平面（B2）稱為近景

第五十二頁(yè)，共六十六頁(yè)，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(yè)，共六十六頁(yè)，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(yè)，共六十六頁(yè)，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(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日人在看圖片時(shí)，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(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日若彌散斑在明視距離對(duì)眼睛的張角小于分辨角，看上去就是一點(diǎn)△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十七頁(yè)，共六十六頁(yè)，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(yè)，共六十六頁(yè)，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(yè)，共六十六頁(yè)，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

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