幾何光學(xué)第4章 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌與光束限制

1、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),實(shí)例：透鏡邊緣、框架、特別設(shè)置的帶孔屏障等。,作用：限制成像光束孔徑、限制視場(chǎng)（成像范圍）。,第一節(jié) 光闌,1、孔徑光闌的定義和作用,一、孔徑光闌 (Aperture Stops), 含義1：限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角大小的光闌。,入射孔徑角,出射孔徑角, 含義2：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。,含義3：孔徑光闌的位置不同，則

2、對(duì)應(yīng)于選擇軸外物點(diǎn)發(fā)出光束的不同部分參與成像。, 孔徑光闌的定義： 1）限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋?； 2）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。,例1：?jiǎn)蝹€(gè)薄透鏡系統(tǒng),2、入射光瞳與出射光瞳（Entrance and Exit pupils）,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） 可直接確定入射孔徑角 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） 可直接確定出射孔徑角,入射（或出射）光線的延長(zhǎng)線過(guò)入（或出）瞳的邊緣,1）入瞳（或出瞳）為孔徑光闌的共軛實(shí)像,2）入瞳（或出瞳）為孔徑光闌的共軛虛像,例2：孔徑光闌不是單純的處在物方或像方,1）對(duì)稱照相鏡頭,2）三片型照相

3、鏡頭,出瞳 入瞳,孔徑光闌,孔徑光闌,物像關(guān)系, 小結(jié)：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)的入射光束的孔徑角。,2）出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的出射光束的孔徑角。,3）孔徑光闌：實(shí)際對(duì)光束孔徑限制作用最大的光闌。 決定了入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。,(1) 目視光學(xué)儀器的孔徑光闌,3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個(gè)問(wèn)題,兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用共同工作時(shí)，要遵從光瞳銜接原則。,前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合； 保證后面系統(tǒng)接收全部出射光束時(shí)，入瞳孔徑最小。,出瞳是所有物點(diǎn)成像光束的必經(jīng)之路，在該截面光束基本重合。,例3：顯微鏡系統(tǒng)（與眼睛連用）,(2) 光路中孔徑光闌的判斷

4、,Q1: 不同位置的軸上物點(diǎn)，誰(shuí)是孔徑光闌？,Q2: 幾個(gè)口徑確定的透鏡組合， 如何判斷確定的軸上物點(diǎn)位置的孔徑光闌?, 軸上物點(diǎn)對(duì)成像張角比較法,a. 將光學(xué)系統(tǒng)每個(gè)光闌（透鏡邊框和光圈等），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. 由軸上物點(diǎn)向各像邊緣、第一個(gè)透鏡邊緣分別作連線，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4：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

5、統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。,A,B,A,B,1,2,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：,A,B,A,B,1,2,3）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,(3) 孔徑光闌位置的安放原則： a. 目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接（光瞳銜接原則）； b.在投影計(jì)量光學(xué)中，要求入瞳或出瞳位于無(wú)窮遠(yuǎn)。 c.在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，可以合理設(shè)置孔徑光闌位置用以校正像差. d.

6、 各光學(xué)元件的口徑匹配。, 主光線的入射、出射部分各自通過(guò)入瞳及出瞳的中心。,4、主光線（Chief ray）,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。, 主光線是通過(guò)孔徑光闌、參與成像的光束的中心光線。,視場(chǎng)光闌,限制物平面或物空間范圍的光闌稱視場(chǎng)光闌。,Q1Q2是視場(chǎng)光闌。 Q1Q2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,Q1,Q2,(2)計(jì)算這些像的邊緣對(duì)入瞳中心的張角大小。張角最小者即為入射窗，入射窗對(duì)應(yīng)的光學(xué)零件視場(chǎng)光闌.,確定視場(chǎng)光闌的方法（了解）：,(1)把所有光孔經(jīng)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到物空間，確定入瞳中心位置 (實(shí)際上

7、在確定孔徑光闌時(shí)這一步驟已完成)。,入射窗邊緣對(duì)入瞳中心的張角為物方視場(chǎng)角 ，同時(shí)也決定了視場(chǎng)邊緣點(diǎn)。視場(chǎng)光闌經(jīng)后面光學(xué)零件所成的像即為出射窗，出射窗對(duì)出瞳中心的張角即為像方視場(chǎng)角 。,視場(chǎng)光闌是對(duì)一定位置的孔徑光闌而言的(因?yàn)榕c入 瞳出瞳有關(guān))。,第二節(jié) 照相系統(tǒng)中的光闌,一、照相機(jī)的三個(gè)組成部分,鏡頭L、可變光闌（孔徑光闌）A、 感光底片/暗盒（視場(chǎng)光闌）B,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。,軸外物點(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。,軸外光束決定 孔徑光闌的位置,假設(shè)：透鏡口徑足夠大,1、漸

8、暈現(xiàn)象：像平面的邊緣比中間暗（離軸物點(diǎn)）。,2、漸暈系數(shù):,（漸暈光闌）,二、漸暈光闌 （Vignetting stop）,一般允許達(dá)到0.5,三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié),孔徑光闌在物鏡中的位置,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,2、光學(xué)參數(shù),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)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)滿足光瞳銜接原則

9、；,2、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于6mm；,4、中間像處的分劃板就是視場(chǎng)光闌。,3、孔徑光闌大致在物鏡鏡框左右（滿足出瞳距要求）；,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；,F,F,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)的主光線入射部分平行于主軸。,3) 主光線是物點(diǎn)成像光束的中心軸，則物

10、點(diǎn)A1 B1在刻尺平面構(gòu)成的兩個(gè)彌散斑的中心間隔始終不變。, 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，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。, 實(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。,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

11、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,以入瞳中心為投影中心，以各空間點(diǎn)的主光線為投影方向，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。, 平面上的空間像的獲得：,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。,二、光學(xué)系統(tǒng)的景深, 成像空間的景深： 在

12、景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度。 （每一個(gè)彌散斑可近似看作一個(gè)幾何點(diǎn)）,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)準(zhǔn)平面的彌散斑直徑：,景像平面的彌散斑直徑：, 正確透視距離：觀察距離滿足照片上各點(diǎn)對(duì)人眼睛的張角，與直接觀察空間時(shí)各對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)眼睛的張角相等。,眼睛,以照相機(jī)為例，分析人眼看照片認(rèn)為是清晰圖像的情況：,遠(yuǎn)景、近景到對(duì)準(zhǔn)平面的距離：,總成像深度景深,過(guò)程略,影響因素1 ：孔徑光闌,對(duì)于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大,孔徑光闌光圈,光圈數(shù) f/2a 越大，光闌越小,不同光圈的效果,影響因素2 ：焦距,f越小， 越小，景深越大,景像平面的彌散斑直徑：,影響因素3：拍攝距離,總成像深度景深,P增大分母減小，分子增大,（一）長(zhǎng)景深的照片,（二）短景深照片,作業(yè),1、結(jié)合畫(huà)圖進(jìn)行名詞解釋：孔徑光闌、入瞳、出瞳、孔徑角 2、結(jié)合畫(huà)圖進(jìn)行名詞解釋：視場(chǎng)光闌、入窗、出窗、視場(chǎng)角 3、對(duì)于一個(gè)光學(xué)