第五章光學(xué)系統(tǒng)中成像光束_應(yīng)用光學(xué)

1、應(yīng)用光學(xué)講稿 第五章第五章 成像光束的選擇成像光束的選擇應(yīng)用光學(xué)講稿問題的提出： 在利用作圖法求像時，如果系統(tǒng)口徑不夠時怎么辦？光學(xué)零件的口徑與兩個因素有關(guān)：1。成像光束的大小2。成像光束的位置HH應(yīng)用光學(xué)講稿 5-1 5-1 照相機(jī)和光闌照相機(jī)和光闌 照相機(jī)的構(gòu)造與眼睛很相似。照相機(jī)的構(gòu)造與眼睛很相似。 前面的透鏡用來使外界景物成像。景物通過透鏡以后在感光底片前面的透鏡用來使外界景物成像。景物通過透鏡以后在感光底片K K上成上成一倒像。底片的作用相當(dāng)于人眼的網(wǎng)膜。一倒像。底片的作用相當(dāng)于人眼的網(wǎng)膜。 透鏡的后面還有一個和人眼虹膜的作用相似：的圓孔透鏡的后面還有一個和人眼虹膜的作用相似：的圓孔

2、MNMN，其作用為限，其作用為限制到達(dá)感光底片上一個點(diǎn)的成像光束口徑。制到達(dá)感光底片上一個點(diǎn)的成像光束口徑。 這種限制成像光束的圓孔稱為這種限制成像光束的圓孔稱為“光闌光闌”。 照相機(jī)中光闌的孔徑一般是可以改變的，這種孔徑可以改變的光闌稱照相機(jī)中光闌的孔徑一般是可以改變的，這種孔徑可以改變的光闌稱為為“可變光闌可變光闌”。 成像的范圍（視場）則是由照相機(jī)成像的范圍（視場）則是由照相機(jī)的底片框的底片框ABAB的大小確定的。超出了底的大小確定的。超出了底片框的范圍，光線被遮攔，底片就不能片框的范圍，光線被遮攔，底片就不能感光。感光。 圖 7-1應(yīng)用光學(xué)講稿 不論是限制成像光束的口徑，或者是限制成像

3、范圍的孔或框，都不論是限制成像光束的口徑，或者是限制成像范圍的孔或框，都統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為“光闌光闌”。 孔徑光闌孔徑光闌: :限制進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的成像光束口徑的光闌。限制進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的成像光束口徑的光闌。 視場光闌：限制成像范圍的光闌視場光闌：限制成像范圍的光闌 消雜光光闌：消除雜光消雜光光闌：消除雜光 實際上，光學(xué)系統(tǒng)中每個光學(xué)零件的外框，如透鏡框、棱鏡框，實際上，光學(xué)系統(tǒng)中每個光學(xué)零件的外框，如透鏡框、棱鏡框，都能起到限制光束的作用，也可以看作光闌。都能起到限制光束的作用，也可以看作光闌。圖 7-2應(yīng)用光學(xué)講稿 如圖所示的簡單照相機(jī)中，當(dāng)透鏡口徑一定時，視場角超過某如圖所示的簡單照相機(jī)中，當(dāng)透鏡

4、口徑一定時，視場角超過某一范圍，成像光束就不能充滿孔徑光闌一范圍，成像光束就不能充滿孔徑光闌MNMN，而被透鏡框切割。它雖然，而被透鏡框切割。它雖然不限制軸上點(diǎn)成像光束的口徑，但對視場邊緣成像光束口徑仍有限制不限制軸上點(diǎn)成像光束的口徑，但對視場邊緣成像光束口徑仍有限制作用。作用。 漸暈：斜光束的寬度比軸上點(diǎn)的光束寬度小，像平面邊緣部分漸暈：斜光束的寬度比軸上點(diǎn)的光束寬度小，像平面邊緣部分比像平面中心暗，這種現(xiàn)象稱為比像平面中心暗，這種現(xiàn)象稱為“漸暈漸暈”。 線漸暈系數(shù)：假定軸向光柬口徑為線漸暈系數(shù)：假定軸向光柬口徑為D D，視場角為，視場角為的斜光束在子的斜光束在子午截面內(nèi)的光束寬度為午截面內(nèi)

5、的光束寬度為DD，則，則DD與口與口D D之比稱為之比稱為“線漸暈系數(shù)線漸暈系數(shù)”。 KD=DKD=D/D /D 面漸暈系數(shù)面漸暈系數(shù) 漸暈的應(yīng)用漸暈的應(yīng)用 圖 7-2應(yīng)用光學(xué)講稿5-2 5-2 望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的成像光束望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的成像光束 一般軍用光學(xué)儀器都是望遠(yuǎn)系統(tǒng)一般軍用光學(xué)儀器都是望遠(yuǎn)系統(tǒng) 望遠(yuǎn)系統(tǒng)得成像光束選擇非常重要望遠(yuǎn)系統(tǒng)得成像光束選擇非常重要 直接影響到系統(tǒng)中各個光學(xué)零件尺寸和整個儀器直接影響到系統(tǒng)中各個光學(xué)零件尺寸和整個儀器的大小的大小 討論兩個實際光學(xué)儀器討論兩個實際光學(xué)儀器 雙目望遠(yuǎn)鏡雙目望遠(yuǎn)鏡 周視瞄準(zhǔn)鏡周視瞄準(zhǔn)鏡應(yīng)用光學(xué)講稿 一一 雙目望遠(yuǎn)鏡雙目望遠(yuǎn)鏡 由一個物鏡，兩個棱

6、鏡，一個分劃鏡和一組目鏡構(gòu)成。由一個物鏡，兩個棱鏡，一個分劃鏡和一組目鏡構(gòu)成。 光學(xué)性能：光學(xué)性能：視放大率：視放大率：=6=6出射光束口徑：出射光束口徑：D=5mmD=5mm成像范圍（視場角）：成像范圍（視場角）：出瞳距離：出瞳距離：lz11mm lz11mm 物鏡焦距：物鏡焦距：f f物物=108mm =108mm 目鏡焦距：目鏡焦距：f f目目 18mm 18mm 圖圖 7-33082應(yīng)用光學(xué)講稿把棱鏡展開把棱鏡展開, ,并將展開以后的平行玻璃板用相當(dāng)空氣層代替，系統(tǒng)如圖。并將展開以后的平行玻璃板用相當(dāng)空氣層代替，系統(tǒng)如圖。 軸上點(diǎn)成像光束軸上點(diǎn)成像光束 =D/D =D/D =6 =6

7、D D5mm5mm D D30mm30mm 系統(tǒng)入射光束的口徑應(yīng)等于系統(tǒng)入射光束的口徑應(yīng)等于30mm30mm。平行光束經(jīng)過物鏡聚焦以后，。平行光束經(jīng)過物鏡聚焦以后，顯然應(yīng)會聚在物鏡的像方焦點(diǎn)顯然應(yīng)會聚在物鏡的像方焦點(diǎn)F F物物 上。光束通過分劃鏡以后，又經(jīng)過上。光束通過分劃鏡以后，又經(jīng)過目鏡組的會聚，仍然以平行光束出射。出射光束的口徑為目鏡組的會聚，仍然以平行光束出射。出射光束的口徑為5mm5mm。 圖 7-4應(yīng)用光學(xué)講稿 對軸向光束來說，物鏡的口徑最大。對軸向光束來說，物鏡的口徑最大。 系統(tǒng)中各個光學(xué)零件的通光口徑不得小于對應(yīng)的軸向光束的口徑。系統(tǒng)中各個光學(xué)零件的通光口徑不得小于對應(yīng)的軸向光

8、束的口徑。 由于儀器有一定的視場，單是根據(jù)軸向光束的口徑還不能決定系由于儀器有一定的視場，單是根據(jù)軸向光束的口徑還不能決定系統(tǒng)中每個零件的尺寸。系統(tǒng)的視場角統(tǒng)中每個零件的尺寸。系統(tǒng)的視場角228 8 3030 要求和光軸傾斜角要求和光軸傾斜角4 41515的軸外光束也能通過系統(tǒng)成像。如的軸外光束也能通過系統(tǒng)成像。如果要求軸外光束的出射口徑和軸向光束相同，等于果要求軸外光束的出射口徑和軸向光束相同，等于5mm5mm，即邊緣視場沒，即邊緣視場沒有漸暈，則入射斜光束的口徑也要等于有漸暈，則入射斜光束的口徑也要等于30mm30mm。為了保證斜光束的通過，。為了保證斜光束的通過，它所要求的各個光學(xué)零件的

9、尺寸不僅和光束口徑有關(guān)，而且和所選取它所要求的各個光學(xué)零件的尺寸不僅和光束口徑有關(guān)，而且和所選取的成像光束的位置有關(guān)。的成像光束的位置有關(guān)。圖 7-4應(yīng)用光學(xué)講稿軸外點(diǎn)成像光束情況軸外點(diǎn)成像光束情況 兩束口徑為兩束口徑為30mm30mm的斜平行光束的斜平行光束 a-aa-a b-b b-b 對應(yīng)的像高對應(yīng)的像高 y=-fy=-f物物tgtg=8mm =8mm 分劃鏡的通光直徑等于兩倍的像高，即分劃鏡的通光直徑等于兩倍的像高，即 D D分分2y2y16mm16mm 分劃鏡框限制了系統(tǒng)的視場，它就是分劃鏡框限制了系統(tǒng)的視場，它就是系統(tǒng)系統(tǒng)“的視場光闌的視場光闌”。 a-aa-a光束：物鏡口徑小光束

10、：物鏡口徑小, ,棱鏡和目鏡的口徑要求比軸向光束的口徑大棱鏡和目鏡的口徑要求比軸向光束的口徑大 b-bb-b光束：物鏡的口徑比軸向光束的口徑大光束：物鏡的口徑比軸向光束的口徑大, ,棱鏡的尺寸雖然也要求棱鏡的尺寸雖然也要求比軸向光束的口徑要大比軸向光束的口徑要大, ,但比但比a-aa-a光束增加得少些。目鏡的口徑則要比光束增加得少些。目鏡的口徑則要比a-aa-a光束所要求的口徑大些。光束所要求的口徑大些。 實際采用的是實際采用的是a-aa-a光束的情況光束的情況應(yīng)用光學(xué)講稿圖 7-6 成像光束的口徑都是由物鏡框確定的。物鏡框就是系統(tǒng)成像光束的口徑都是由物鏡框確定的。物鏡框就是系統(tǒng)的的“孔徑光闌

11、孔徑光闌”。 出瞳：孔徑光闌在系統(tǒng)像空間所成的像出瞳：孔徑光闌在系統(tǒng)像空間所成的像 出瞳距離：出瞳離開系統(tǒng)最后一個表面的距離，通常用出瞳距離：出瞳離開系統(tǒng)最后一個表面的距離，通常用lzlz表示。表示。入瞳：孔徑光闌在物空間的共軛像入瞳：孔徑光闌在物空間的共軛像入瞳距離：入瞳與系統(tǒng)第一面得距離入瞳距離：入瞳與系統(tǒng)第一面得距離入瞳和出瞳是物和像的關(guān)系入瞳和出瞳是物和像的關(guān)系應(yīng)用光學(xué)講稿二、周視瞄準(zhǔn)鏡1、光學(xué)系統(tǒng)圖視放大率： =3.7物方視場角：2=10出瞳直徑： D=4mm出瞳距離： lz20mm物鏡焦距： f物=80mm目鏡焦距： f目=21.6mm應(yīng)用光學(xué)講稿2、展開圖軸向光束：入瞳直徑軸向光

12、束：入瞳直徑 D=DD=D =4=43.7=14.8mm3.7=14.8mm分劃鏡即視場光闌直徑為分劃鏡即視場光闌直徑為 D D分分=2y=-2f=2y=-2f物物tgtg=14mm=14mm應(yīng)用光學(xué)講稿 軸外點(diǎn)成像光束選擇軸外點(diǎn)成像光束選擇 確定入瞳或孔徑光闌的位置確定入瞳或孔徑光闌的位置 孔徑光闌選在前面四個光學(xué)零件上孔徑光闌選在前面四個光學(xué)零件上 而選在道威棱鏡上最為合理而選在道威棱鏡上最為合理 道威棱鏡上孔徑光闌的確定道威棱鏡上孔徑光闌的確定 出瞳距離就是對出射光束位置的要求?？筛鶕?jù)光束位置來確定出出瞳距離就是對出射光束位置的要求?？筛鶕?jù)光束位置來確定出瞳位置。瞳位置。 主光線主光線

13、主光線和光軸的交點(diǎn)，即道威棱鏡的中點(diǎn)，作為孔徑光闌。主光線和光軸的交點(diǎn)，即道威棱鏡的中點(diǎn)，作為孔徑光闌。圖 7-9應(yīng)用光學(xué)講稿名義孔徑光闌 道威棱鏡的漸暈 眼點(diǎn)和眼點(diǎn)距離應(yīng)用光學(xué)講稿周視瞄準(zhǔn)鏡中斜光束通過時的情況斜光束孔徑小于軸向光束，整個視場都存在漸暈由主光線與光軸交點(diǎn)確定出瞳、入瞳的位置OOLz應(yīng)用光學(xué)講稿問題1：雙目望遠(yuǎn)鏡中，出瞳定義為孔徑光闌在像空間的像； 周視瞄準(zhǔn)鏡中，出瞳為出射主光線與光軸的交點(diǎn)。 這兩種定義是否有矛盾？無漸暈的情況下，用主光線與光軸交點(diǎn)作為出瞳也能解釋。 無漸暈時，主光線必然通過孔徑光闌中心，出射主光線必然通過孔徑光闌中心在像空間的像，也就是主光線與光軸的交點(diǎn)，所

14、以二者是一致的。 應(yīng)用光學(xué)講稿問題2：斜光束視場角變化時，出瞳入瞳位置會不會隨之改變？o應(yīng)用光學(xué)講稿有些情況下，系統(tǒng)并不是整個視場都有漸暈，而是一定視場內(nèi)無漸暈，視場超過一定大小后才有漸暈。 例子：望遠(yuǎn)鏡-0-出瞳出瞳眼點(diǎn)Lz按照視場中央沒有漸暈的部分光線來確定出瞳位置。 應(yīng)用光學(xué)講稿三、總結(jié)為什么要選擇成像光束和選擇的原則？ 成像光束的位置和大小直接影響各個光學(xué)零件的大小。 選擇斜光束的出發(fā)點(diǎn)一般就是使光學(xué)零件盡量小，尺寸均勻。 選哪部分光束進(jìn)來要靠孔徑光闌的位置和大小確定；一般原則是把孔徑光闌選在軸向光束最大的那些光學(xué)零件上。出瞳位置的確定問題。 整個視場都無漸暈：雙目望遠(yuǎn)鏡。出瞳即為孔徑

15、光闌在像空間的像； 整個視場都有漸暈：周視瞄準(zhǔn)鏡。由主光線與光軸交點(diǎn)來確定。 當(dāng)視場超過一定范圍后才開始有漸暈：按無漸暈 部分確定出瞳位置。 有些系統(tǒng)人眼就是限制光束的孔徑光闌，也是出瞳。應(yīng)用光學(xué)講稿第三節(jié)第三節(jié) 顯微鏡中的光束限制、遠(yuǎn)心光路顯微鏡中的光束限制、遠(yuǎn)心光路一、一般顯微鏡中光束限制的情況：顯微鏡原理圖：物鏡目鏡F目應(yīng)用光學(xué)講稿1、成像范圍：用成像物體的最大尺寸表示，即線視場。 而望遠(yuǎn)鏡中用視場角來表示 線視場的大小由像面上放置的框大小決定。它限制了觀察范圍，因此它是視場光闌?？紤]到顯微鏡互換性，通常視場光闌為2y=20mm,由 y = y/ ,若=40 , ymax =20/40=

16、0.5mm物方視場非常小，是否不方便？應(yīng)用光學(xué)講稿2、成像光束的大小:用軸上點(diǎn)發(fā)出的光束與光軸的夾角來表示 而望遠(yuǎn)鏡中用入射光束口徑來表示FUUU : 物方孔徑角U: 像方孔徑角由光軸轉(zhuǎn)向光線 -D若已知D和視放大率，如何求入射光束口徑？F物目應(yīng)用光學(xué)講稿由于 U=D/ 2f目 物象空間不變式：nuy=nuy，顯微鏡中 n=1,有 nu = u =(D/2f目)*而= -x/f= -/f物 nu = (D/2)(-/f物f目）= (D/2)(1/f顯微鏡）又=250/f nu =D(/500) nu: 數(shù)值孔徑，用NA表示 NA=D (/500)應(yīng)用光學(xué)講稿為保證出射光束有一定大小，D1mm則

17、 NA/500NA的選擇：越大越好。 1、NA= D /500, D一定，要求大，則增大NA; 一定，要求D大，則增大NA. 2、NA與顯微鏡的分辨率有關(guān)，NA越大，分辨率越高。 NA一定， 增大， D減小， D增大， 減小增大NA的方法：NA=nu 1、提高u; 2、提高n; 使用油浸物鏡。應(yīng)用光學(xué)講稿二、測量顯微鏡中的光束限制情況1、測量物體大小的顯微鏡：2y2y測量標(biāo)尺離物鏡的距離固定的， 垂軸放大率固定測量出y，就可求出y y=y/應(yīng)用光學(xué)講稿A1B1ABBA B1A1y1y當(dāng)物平面位置不準(zhǔn)確時：有誤差，帶來誤差的原因：主光線隨著物面位置的變化而變化測量像高測量的是彌散圓的中心，即主光

18、線與像面的交點(diǎn)應(yīng)用光學(xué)講稿遠(yuǎn)心光路：將孔徑光闌放在像方焦平面處主光線平行光軸入射物方遠(yuǎn)心光路孔徑光闌 y1=y應(yīng)用光學(xué)講稿2、用于大地測量的顯微鏡：F物yy-f物-l已知焦距f , 物高y，例如標(biāo)桿，測出像高y，即可求出物距 l= f (y/y)應(yīng)用光學(xué)講稿ABAB yy1當(dāng)像平面與標(biāo)尺分劃刻線不重合時： 調(diào)節(jié)不準(zhǔn)時有誤差，誤差原因：主光線與像面的交點(diǎn)隨像面位置改變而改變應(yīng)用光學(xué)講稿ABAB y=y1孔徑光闌像方遠(yuǎn)心光路將孔徑光闌放在物方像平面處，則出射主光線與光軸平行，主光線與像面的交點(diǎn)不變，消除誤差 應(yīng)用光學(xué)講稿第四節(jié) 場鏡的特性及其應(yīng)用一、場鏡的作用物鏡目鏡F目應(yīng)用光學(xué)講稿F物物鏡場鏡目

19、鏡場鏡：位在或靠近像平面的透鏡叫場鏡場鏡的作用：在不改變光學(xué)系統(tǒng)成像特性的前提下，改變成像光束的位置。應(yīng)用光學(xué)講稿二、應(yīng)用舉例：O1O2三、場鏡焦距的計算 問題： 場鏡有可能是負(fù)透鏡嗎？物鏡場鏡目鏡-LL應(yīng)用光學(xué)講稿第五節(jié)第五節(jié) 空間物體成像的清晰程度：景深空間物體成像的清晰程度：景深一、景深的定義一、景深的定義能夠在像面上獲得清晰像的物空間深度能夠在像面上獲得清晰像的物空間深度AAA1A1A2A2B1B1ZZB2B2l1ll2-l2-l-l2應(yīng)用光學(xué)講稿景深的標(biāo)準(zhǔn)：像平面上允許的最大光斑直徑景深的標(biāo)準(zhǔn)：像平面上允許的最大光斑直徑ZZ 已知：焦距已知：焦距 , ,口徑口徑D D，基準(zhǔn)物平面，基準(zhǔn)物平面 , ,允許的彌散圓直徑允許的彌散圓直徑ZZ 求：景深求：景深 其中：其中： 最遠(yuǎn)物平面物距；最遠(yuǎn)物平面物距； 最近物平面物距最近物平面物距圖 7-17 fl2111ll1l2l應(yīng)用光學(xué)講稿11lllDZ22lllDZ111fll11111fll21111lllll