工程光學(xué)第四章_光學(xué)系統(tǒng)中的光闌與光束限制

1、第一節(jié)第一節(jié) 光闌光闌第二節(jié)第二節(jié) 照相系統(tǒng)的光闌照相系統(tǒng)的光闌 第三節(jié)第三節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇第四節(jié)第四節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析第五節(jié)第五節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的景深光學(xué)系統(tǒng)的景深第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌光學(xué)系統(tǒng)中的光闌(Stops) 以前主要討論以前主要討論理想光學(xué)系統(tǒng)的特性理想光學(xué)系統(tǒng)的特性：理想光學(xué)系：理想光學(xué)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)成像，而且可以對(duì)任意物以任統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)成像，而且可以對(duì)任意物以任意寬的光束給出某一定倍率的像。當(dāng)共軛距一定時(shí)，意寬的光束給出某一定倍率的像。當(dāng)共軛距一定時(shí)，物的大小與像的大小成比例。物的大

2、小與像的大小成比例。 但實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的成像光束將會(huì)受到限制。但實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的成像光束將會(huì)受到限制。透鏡透鏡的大小和像面的大小有限，從而限制了成像光束的寬的大小和像面的大小有限，從而限制了成像光束的寬度和成像范圍。度和成像范圍。 透鏡的大小限制透鏡的大小限制A A點(diǎn)發(fā)出的成像光束的點(diǎn)發(fā)出的成像光束的孔徑角孔徑角，底片的大小限制底片的大小限制成像范圍成像范圍，它們都是對(duì)光束的，它們都是對(duì)光束的限制，稱為限制，稱為光闌光闌。 DDPDDPMNNM結(jié)論：結(jié)論：光闌（或其像）對(duì)入射光束的限制與光闌的像（或光闌）光闌（或其像）對(duì)入射光束的限制與光闌的像（或光闌）對(duì)其共軛出射光束的限制，兩者完全等價(jià)。對(duì)其共

3、軛出射光束的限制，兩者完全等價(jià)。 如果任意入射線如果任意入射線PM與與DD的邊框部分相交，的邊框部分相交，其共軛出射線必被其共軛出射線必被DD阻擋；同理，另一入射阻擋；同理，另一入射線線PN能能“通過(guò)通過(guò)” DD，其共軛出射線必能通過(guò)其共軛出射線必能通過(guò)DD。 概述概述一、光闌的概念一、光闌的概念 光闌光闌起限起限制成像光束作制成像光束作用的透光孔。用的透光孔。 孔徑光闌孔徑光闌限制軸上點(diǎn)成像光束限制軸上點(diǎn)成像光束中邊緣光線的最大傾角（孔徑角）中邊緣光線的最大傾角（孔徑角）視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌限制物平面或物空間能限制物平面或物空間能被系統(tǒng)成像的最大范圍（視場(chǎng)）被系統(tǒng)成像的最大范圍（視場(chǎng)）漸暈光闌漸

4、暈光闌限制物空間軸外點(diǎn)發(fā)出限制物空間軸外點(diǎn)發(fā)出的、本來(lái)能通過(guò)上述兩種光孔的成像的、本來(lái)能通過(guò)上述兩種光孔的成像光束光束消雜光光闌消雜光光闌限制雜散光（從視場(chǎng)外限制雜散光（從視場(chǎng)外射入系統(tǒng)，或由鏡頭內(nèi)部的光學(xué)表面、射入系統(tǒng)，或由鏡頭內(nèi)部的光學(xué)表面、金屬表面及鏡座內(nèi)壁的反射和散射所產(chǎn)金屬表面及鏡座內(nèi)壁的反射和散射所產(chǎn)生）生）所有光所有光學(xué)系統(tǒng)學(xué)系統(tǒng)都有都有二、光闌的位置二、光闌的位置一般是在實(shí)像面或中間實(shí)像面上，也可以沒有一般是在實(shí)像面或中間實(shí)像面上，也可以沒有 視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌孔徑光闌孔徑光闌隨系統(tǒng)而異，目視光學(xué)系統(tǒng)要求孔闌或孔闌的隨系統(tǒng)而異，目視光學(xué)系統(tǒng)要求孔闌或孔闌的像一定要在外面，以與眼瞳

5、重合；遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)要求孔像一定要在外面，以與眼瞳重合；遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)要求孔闌在焦面上。其他無(wú)特殊要求的可以選擇。闌在焦面上。其他無(wú)特殊要求的可以選擇。 漸暈光闌漸暈光闌位置可選擇，以改善成像質(zhì)量，與視場(chǎng)光闌二者位置可選擇，以改善成像質(zhì)量，與視場(chǎng)光闌二者必有其一必有其一 消雜光光闌消雜光光闌位置可選擇，以達(dá)到限制雜散光的目的，位置可選擇，以達(dá)到限制雜散光的目的，也可以沒有也可以沒有 孔徑光闌孔徑光闌 A. S.的作用的作用：限制成像光束限制成像光束口徑口徑控制到達(dá)像面的光能控制到達(dá)像面的光能視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌 F. S.的作用的作用：限制物面上能成像的限制物面上能成像的范圍范圍限制視場(chǎng)的大小限制視場(chǎng)

6、的大小LPQDDSA.PQP1QQFLFSF.DDPQ1Q三三. .孔徑光闌和孔徑光闌和視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌第一節(jié)第一節(jié) 光闌光闌1 1、孔徑光闌的定義和作用、孔徑光闌的定義和作用一、孔徑光闌一、孔徑光闌 (Aperture Stops) 含義含義1 1：限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角大小的光闌。限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角大小的光闌。限制成像光束和成像范圍限制成像光束和成像范圍 含義含義2 2：孔徑光闌的位置不同，但孔徑光闌的位置不同，但都起到了對(duì)軸上物點(diǎn)成都起到了對(duì)軸上物點(diǎn)成像光束寬度的限制作用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；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

7、徑角不變。證軸上物點(diǎn)成像光束的孔徑角不變。 含義含義3 3：孔徑光闌的位置不同，則對(duì)應(yīng)于孔徑光闌的位置不同，則對(duì)應(yīng)于選擇軸外物點(diǎn)選擇軸外物點(diǎn)發(fā)出光束的不同部分參與成像發(fā)出光束的不同部分參與成像。（a a）物點(diǎn)有限遠(yuǎn)）物點(diǎn)有限遠(yuǎn)L1M1N1M2N22（b b）物點(diǎn)無(wú)限遠(yuǎn)）物點(diǎn)無(wú)限遠(yuǎn) 孔徑光闌的定義：孔徑光闌的定義：1 1）限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大小（寬度）；）限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋?；2 2）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。DDPDDPMNNM結(jié)論：光闌（或其像）對(duì)入射光束的限制與光闌結(jié)論：光闌（或其像）對(duì)入射光束的限制與光闌的像（或光闌）對(duì)其共軛

8、出射光束的限制，兩者的像（或光闌）對(duì)其共軛出射光束的限制，兩者完全等價(jià)。完全等價(jià)。 如果任意入射線如果任意入射線PM與與DD的邊框部分相交，的邊框部分相交，其共軛出射線必被其共軛出射線必被DD阻擋；同理，另一入射阻擋；同理，另一入射線線PN能能“通過(guò)通過(guò)” DD，其共軛出射線必能通過(guò)其共軛出射線必能通過(guò)DD。 2 2、入射光瞳與出射光瞳、入射光瞳與出射光瞳( (Entrance and Exit pupils) Pupils： The image of the Aperture Stops入射光瞳：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）孔徑光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）出

9、射光瞳：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）孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）照相機(jī)鏡頭中的孔徑光闌照相機(jī)鏡頭中的孔徑光闌F 孔徑光闌孔徑光闌F 孔徑光闌孔徑光闌孔闌、入瞳和出瞳之間的共軛關(guān)系可用下圖表示：孔闌、入瞳和出瞳之間的共軛關(guān)系可用下圖表示：孔徑光闌、入瞳、出瞳三者之間互為共軛關(guān)系?？讖焦怅@、入瞳、出瞳三者之間互為共軛關(guān)系。 孔徑光闌、入瞳與出瞳孔徑光闌、入瞳與出瞳1L2LQ1Q2Q)U2Q1QQ2Q1QQAyBAyB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔徑孔徑光闌光闌(U1 1）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。2 2）出瞳：決定光學(xué)

10、系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。）出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。3 3）孔徑光闌：實(shí)際起對(duì)光束限制作用的元件，決定了）孔徑光闌：實(shí)際起對(duì)光束限制作用的元件，決定了 入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)有若干個(gè)透光孔，其中哪一個(gè)是孔徑光闌？一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)有若干個(gè)透光孔，其中哪一個(gè)是孔徑光闌？是最前面的一個(gè)嗎？是最小的一個(gè)嗎？是最前面的一個(gè)嗎？是最小的一個(gè)嗎？何為孔闌要依當(dāng)時(shí)條件而確定，物體的位置變了，何為孔闌要依當(dāng)時(shí)條件而確定，物體的位置變了，孔闌可能會(huì)變。當(dāng)物體位置一定時(shí)，有一個(gè)光孔孔闌可能會(huì)變。當(dāng)物體位置一定時(shí)，有一個(gè)光孔最限制成像光束的寬（角）度最限制成像

11、光束的寬（角）度孔闌孔闌?3 3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個(gè)問(wèn)題、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個(gè)問(wèn)題(1)(1) 軸上物點(diǎn)的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會(huì)變化。軸上物點(diǎn)的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會(huì)變化。 追跡光線法：追跡光線法：過(guò)軸上物點(diǎn)的任一條近軸光線，求其在每過(guò)軸上物點(diǎn)的任一條近軸光線，求其在每個(gè)折射面的投射高度與實(shí)際口徑的比值，比值最大的折射個(gè)折射面的投射高度與實(shí)際口徑的比值，比值最大的折射面的邊框?yàn)橥哥R組的孔徑光闌。面的邊框?yàn)橥哥R組的孔徑光闌。(2)(2)幾個(gè)口徑一定的透鏡組合幾個(gè)口徑一定的透鏡組合： a、無(wú)限遠(yuǎn)物點(diǎn)無(wú)限遠(yuǎn)物點(diǎn)的孔徑光闌：求各個(gè)透鏡的像，的孔徑光闌：求各個(gè)透鏡的像， 最小的即為

12、孔徑光闌最小的即為孔徑光闌 b、確定的軸上物點(diǎn)位置確定的軸上物點(diǎn)位置的孔徑光闌：的孔徑光闌： 成像張角比較法：成像張角比較法： 1L2LQ1Q2Q)U2Q2L1QQAa. a. 將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（各個(gè)透鏡和光圈等），對(duì)其前面將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（各個(gè)透鏡和光圈等），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；的光學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；b. b. 由物位置（軸上點(diǎn)）向各像邊緣、第一個(gè)透鏡邊緣分別由物位置（軸上點(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；光闌；c. c. 孔徑

13、光闌對(duì)后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳?？讖焦怅@對(duì)后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。A A(3) (3) 孔徑光闌位置的安放原則：孔徑光闌位置的安放原則：a. a. 目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接（光瞳銜接原則）（光瞳銜接原則）；b. b. 投影計(jì)量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化；投影計(jì)量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化；c. c. 對(duì)軸外光束像差校正；對(duì)軸外光束像差校正；d.d. 各光學(xué)元件的口徑匹配。各光學(xué)元件的口徑匹配。例例1：已知物點(diǎn)：已知物點(diǎn)A離透鏡離透鏡1的距離為的距離為-l1=30mm，透鏡，透鏡1的通光口徑的通光口徑D1=

14、30mm,光光孔孔2的直徑的直徑D2=22mm，像點(diǎn)，像點(diǎn)A離透鏡的距離離透鏡的距離l1 =60mm，透鏡與光孔之間距，透鏡與光孔之間距離為離為d=10mm，試確定這個(gè)系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。，試確定這個(gè)系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。ABAB12解解：判斷孔徑光闌：判斷孔徑光闌：軸上物點(diǎn)的成像張角比較法軸上物點(diǎn)的成像張角比較法1）透鏡）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。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）光孔2相對(duì)于前面透鏡成像：相對(duì)于前面透鏡成像：111llf211222222260,3020;10,202044llfldfllDDDmml 透鏡焦距：光孔關(guān)于透鏡

15、的像：，；像的大?。?0,20,1022lfdlABAB12111221223026.5652 ( 30)2()4423.7492 (3020)DUarctglarctgDUarctgllarctg 3）D1，D2對(duì)軸上物點(diǎn)對(duì)軸上物點(diǎn)A的張角：的張角： D2的張角最小，最能限制軸上物點(diǎn)的張角最小，最能限制軸上物點(diǎn)A的成像光束，的成像光束，為入瞳，即光孔為入瞳，即光孔2為孔徑光闌，為孔徑光闌，U2為物方孔徑角。為物方孔徑角。 光孔光孔2后面無(wú)透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，后面無(wú)透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，U2為像方為像方孔徑角?？讖浇?。1)U2)U22(U例例2：一個(gè)雙薄透鏡：一個(gè)雙薄透鏡L1，L2構(gòu)

16、成的光學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)， L1透鏡的焦透鏡的焦距為距為 ，通光口徑，通光口徑 ， L2透鏡的焦透鏡的焦距為，距為， 通光口徑通光口徑 ， L2在在L1的后的后面面50mm的位置處，的位置處，現(xiàn)一束平行于光軸的光射入現(xiàn)一束平行于光軸的光射入，1）試）試判斷系統(tǒng)的孔徑光闌；判斷系統(tǒng)的孔徑光闌；2）求系統(tǒng)入瞳的大小和位置；）求系統(tǒng)入瞳的大小和位置；3）求系統(tǒng)出瞳的大小和位置求系統(tǒng)出瞳的大小和位置 .mmf801mmD401mmD402mmf302分析分析：該系統(tǒng)是一個(gè)沒有專設(shè)光闌的雙光組系統(tǒng)，故雙透：該系統(tǒng)是一個(gè)沒有專設(shè)光闌的雙光組系統(tǒng)，故雙透鏡的邊框都可能是潛在的孔徑光闌，又根據(jù)題意要求射入

17、鏡的邊框都可能是潛在的孔徑光闌，又根據(jù)題意要求射入系統(tǒng)的是平行光，故而孔徑光闌的判斷需要根據(jù)系統(tǒng)的是平行光，故而孔徑光闌的判斷需要根據(jù)物在無(wú)限物在無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)的方法遠(yuǎn)時(shí)的方法來(lái)加以分析，來(lái)加以分析，即將兩個(gè)透鏡的邊框都通過(guò)前面即將兩個(gè)透鏡的邊框都通過(guò)前面的光組進(jìn)行成像，各像的大小和位置可以根據(jù)高斯公式進(jìn)的光組進(jìn)行成像，各像的大小和位置可以根據(jù)高斯公式進(jìn)行計(jì)算。再根據(jù)入瞳判斷出孔徑光闌，而孔徑光闌經(jīng)過(guò)后行計(jì)算。再根據(jù)入瞳判斷出孔徑光闌，而孔徑光闌經(jīng)過(guò)后面系統(tǒng)在像空間所成的像就為出瞳面系統(tǒng)在像空間所成的像就為出瞳.1、將、將L1的邊框經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的物空間，由的邊框經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像

18、到系統(tǒng)的物空間，由于前面沒有成像元件故于前面沒有成像元件故L1邊框的像邊框的像 就是自身，即就是自身，即mmD4011 L2、將、將L2的邊框經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng)的邊框經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng)L1成像到系統(tǒng)的物空間，設(shè)成像到系統(tǒng)的物空間，設(shè)像像 為，則由高斯公式有為，則由高斯公式有 1） 的位置：的位置：2 L2 Lmmllfll133801501111111111即即 位于位于L1 右側(cè)約右側(cè)約133mm處處 2 L解：解：（一）判斷系統(tǒng)的孔徑光闌（一）判斷系統(tǒng)的孔徑光闌mmDyyllyy1072501332021111112） 的大?。旱拇笮。? L3、比較兩個(gè)像、比較兩個(gè)像 的大小，并判斷入瞳及

19、孔徑光闌的大小，并判斷入瞳及孔徑光闌21, DD由于由于 故故 對(duì)入射光束起對(duì)入射光束起到最大的限制作用，為系統(tǒng)入瞳，與入瞳到最大的限制作用，為系統(tǒng)入瞳，與入瞳 相對(duì)相對(duì)應(yīng)的透鏡應(yīng)的透鏡L1的邊框即為系統(tǒng)的孔徑光闌。的邊框即為系統(tǒng)的孔徑光闌。1 LmmDmmD10740211 L（二）系統(tǒng)入瞳的大小及位置（二）系統(tǒng)入瞳的大小及位置 根據(jù)上面的分析可知，根據(jù)上面的分析可知， （或（或L1的邊框）的邊框）為系統(tǒng)為系統(tǒng)入瞳，入瞳的大小為入瞳，入瞳的大小為40mm，位置與第一塊透鏡相重合，位置與第一塊透鏡相重合，也可以說(shuō)也可以說(shuō)L1即是孔徑光闌又是入瞳。即是孔徑光闌又是入瞳。 1 L（三）系統(tǒng)出瞳的大

20、小及位置（三）系統(tǒng)出瞳的大小及位置 根據(jù)高斯公式及出瞳的定義有根據(jù)高斯公式及出瞳的定義有1)出瞳的位置出瞳的位置mmllfll753015011111212222)出瞳的大小出瞳的大小mmDyyllyy602507520222222出即系統(tǒng)的出瞳位于即系統(tǒng)的出瞳位于 右側(cè)處右側(cè)處75mm，口徑為，口徑為60mm 2L例例2：兩個(gè)薄透鏡：兩個(gè)薄透鏡 的口徑分別為的口徑分別為 ，焦距分別為焦距分別為 ，在，在 之間距離之間距離 為為20mm處放入一個(gè)帶有內(nèi)孔的光闌處放入一個(gè)帶有內(nèi)孔的光闌AB，內(nèi)孔的，內(nèi)孔的直徑為直徑為 。L1L2間距為間距為50mm若物點(diǎn)位于前若物點(diǎn)位于前方方120mm處，試判斷

21、系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳及出瞳的處，試判斷系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳及出瞳的大小及位置。大小及位置。21,LLmmDmmD40,6021mmfmmf50,902121,LLmmD6032L分析：分析：本題是由三個(gè)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，分別為成像本題是由三個(gè)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，分別為成像元件透鏡元件透鏡 ，及非成像元件光闌，及非成像元件光闌AB，每一個(gè)元件，每一個(gè)元件都有一定的通光孔徑，并且物位于有限遠(yuǎn)處，故孔徑光都有一定的通光孔徑，并且物位于有限遠(yuǎn)處，故孔徑光闌的判斷可根據(jù)闌的判斷可根據(jù)有限遠(yuǎn)處的方法有限遠(yuǎn)處的方法進(jìn)行判斷分析進(jìn)行判斷分析 21,LL例例3：兩個(gè)薄透鏡：兩個(gè)薄透鏡 的口徑分別為的口徑分別為

22、 ，焦距分別為焦距分別為 ，在，在 之間距離之間距離 為為20mm處放入一個(gè)帶有內(nèi)孔的光闌處放入一個(gè)帶有內(nèi)孔的光闌AB，內(nèi)孔的，內(nèi)孔的直徑為直徑為 。L1L2間距為間距為50mm若物點(diǎn)位于若物點(diǎn)位于前前方方120mm處，試判斷系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳及出瞳的處，試判斷系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳及出瞳的大小及位置。大小及位置。21,LLmmDmmD40,6021mmfmmf50,902121,LLmmD6032L解：解：（一）判斷系統(tǒng)的孔徑光闌（一）判斷系統(tǒng)的孔徑光闌 25. 0120301tgu1、將、將 的邊框經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的物空間，的邊框經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的物空間，由于前面沒

23、有成像元件故由于前面沒有成像元件故 邊框的像邊框的像 就是自身，就是自身，即即 ，若，若 對(duì)軸上物點(diǎn)的張角為對(duì)軸上物點(diǎn)的張角為 則有則有 1L1L1 LmmDD60111u1 L1） 的位置：的位置：BA2、將光闌、將光闌AB經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng) 成像到系統(tǒng)的物空成像到系統(tǒng)的物空間，設(shè)其像為間，設(shè)其像為 則由高斯公式有則由高斯公式有1LBAmmllfll459013011111111112） 的大小：的大?。築A即即 位于右側(cè)約位于右側(cè)約45mm處。處。 BAmmymmyyllyy902453045301111111BA即即 的孔徑大小為的孔徑大小為90mm3）若）若 對(duì)軸上物

24、點(diǎn)的張角為對(duì)軸上物點(diǎn)的張角為 ，則，則BA2u27. 045120452tgu2 L3、將透鏡、將透鏡L2的邊框經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的的邊框經(jīng)過(guò)前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到系統(tǒng)的物空間，設(shè)其像為物空間，設(shè)其像為 則則1） 的位置：的位置：2 L即即 位于位于L1右側(cè)約右側(cè)約112.5mm處處.2 Lmmllfll5 .112901501111122122mmymmyyllyy90245505 .1123022222222） 的大?。旱拇笮。?2 L3）若）若 對(duì)軸上物點(diǎn)的張角為對(duì)軸上物點(diǎn)的張角為 ，則，則2 L3u19. 05 .112120453tgu4、比較三個(gè)像、比較三個(gè)像 對(duì)軸上物點(diǎn)張

25、角的大小，并對(duì)軸上物點(diǎn)張角的大小，并判斷入瞳及孔徑光闌判斷入瞳及孔徑光闌, 21BALL由于由于 ，顯然張角，顯然張角 最小，即最小，即 對(duì)入射光束起到最大的限制作用，為系統(tǒng)對(duì)入射光束起到最大的限制作用，為系統(tǒng)入瞳。與入瞳相對(duì)應(yīng)的透鏡入瞳。與入瞳相對(duì)應(yīng)的透鏡L2的邊框即為孔徑光闌。的邊框即為孔徑光闌。19. 0,27. 0,25. 0321tgutgutgu3u2 L（二）系統(tǒng)入瞳的大小及位置（二）系統(tǒng)入瞳的大小及位置 根據(jù)上面的分析可知，根據(jù)上面的分析可知， 為系統(tǒng)入瞳，則由前面為系統(tǒng)入瞳，則由前面的分析中可以得到該系統(tǒng)入瞳的大小為的分析中可以得到該系統(tǒng)入瞳的大小為 ，位，位于于L1 右側(cè)約

26、右側(cè)約112.5mm處處 2 LmmD90入（三）系統(tǒng)出瞳的大小及位置（三）系統(tǒng)出瞳的大小及位置 根據(jù)出瞳的定義孔徑光闌根據(jù)出瞳的定義孔徑光闌L2經(jīng)過(guò)后面系統(tǒng)所成的經(jīng)過(guò)后面系統(tǒng)所成的像為出瞳，故透鏡像為出瞳，故透鏡L2邊框本身又為系統(tǒng)出瞳。邊框本身又為系統(tǒng)出瞳。2 LmmD90入 根據(jù)上面的分析可知，根據(jù)上面的分析可知， 為系統(tǒng)入瞳，則由前面為系統(tǒng)入瞳，則由前面的分析中可以得到該系統(tǒng)入瞳的大小為的分析中可以得到該系統(tǒng)入瞳的大小為 ，位，位于于L1 右側(cè)約右側(cè)約112.5mm處處 2 LmmD90入(3) (3) 孔徑光闌位置的安放原則：孔徑光闌位置的安放原則：a. a. 目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人

27、眼瞳孔銜接目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接（光瞳銜接原則）（光瞳銜接原則）；b. b. 投影計(jì)量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化；投影計(jì)量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化；c. c. 對(duì)軸外光束像差校正；對(duì)軸外光束像差校正；d.d. 各光學(xué)元件的口徑匹配。各光學(xué)元件的口徑匹配。 一般情況下，孔徑光闌的位置要根據(jù)一般情況下，孔徑光闌的位置要根據(jù)是否有利于改是否有利于改善軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量、縮小系統(tǒng)的外型尺寸、鏡頭的結(jié)善軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量、縮小系統(tǒng)的外型尺寸、鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用方便程度等多種因素綜合考慮構(gòu)設(shè)計(jì)、使用方便程度等多種因素綜合考慮；孔徑光闌；孔徑光闌的大小要根據(jù)軸上點(diǎn)所要求的最

28、大孔徑角所對(duì)應(yīng)的邊緣的大小要根據(jù)軸上點(diǎn)所要求的最大孔徑角所對(duì)應(yīng)的邊緣光線在光闌面上的投射高度來(lái)決定；而系統(tǒng)中其它元件光線在光闌面上的投射高度來(lái)決定；而系統(tǒng)中其它元件的通光直徑則是根據(jù)邊緣視場(chǎng)點(diǎn)的成像光束大小和軸上的通光直徑則是根據(jù)邊緣視場(chǎng)點(diǎn)的成像光束大小和軸上點(diǎn)邊緣光線無(wú)阻攔通過(guò)的原則來(lái)加以確定。點(diǎn)邊緣光線無(wú)阻攔通過(guò)的原則來(lái)加以確定。 孔徑光闌的位置孔徑光闌的位置在某些光學(xué)系統(tǒng)中有特定的要求，在某些光學(xué)系統(tǒng)中有特定的要求，如目視光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌或其像一定要在光學(xué)系統(tǒng)之如目視光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌或其像一定要在光學(xué)系統(tǒng)之外，以便能夠使眼睛的瞳孔與之相重合，達(dá)到較好的觀外，以便能夠使眼睛的瞳孔與之相

29、重合，達(dá)到較好的觀察效果。此外在考慮目視光學(xué)系統(tǒng)（如放大鏡、望遠(yuǎn)鏡察效果。此外在考慮目視光學(xué)系統(tǒng)（如放大鏡、望遠(yuǎn)鏡等）的光束限制時(shí)，一定要把眼睛的瞳孔作為整個(gè)系統(tǒng)等）的光束限制時(shí)，一定要把眼睛的瞳孔作為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)光孔元件加以考慮。的一個(gè)光孔元件加以考慮。 理想光學(xué)系統(tǒng)：主光線必然通過(guò)入瞳及出瞳的中心理想光學(xué)系統(tǒng)：主光線必然通過(guò)入瞳及出瞳的中心。4、主光線（、主光線（Chief ray）：）：1L2LQ1Q2Q2Q1QQ2Q1QQABACB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔徑光闌孔徑光闌定義：定義：離軸物點(diǎn)離軸物點(diǎn)發(fā)出的、通過(guò)孔徑光闌中心的光線。發(fā)出的、通過(guò)孔徑光闌中心的光線。 主光線是主光線是通過(guò)孔徑光

30、闌通過(guò)孔徑光闌、并、并參與成像的物光束參與成像的物光束的的中心光線中心光線。二、視場(chǎng)光闌二、視場(chǎng)光闌 (Field Stops) 1 1、視場(chǎng)光闌、視場(chǎng)光闌: :定義：定義：在物在物/ /像面上安放的、限定光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌。像面上安放的、限定光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌。物方視場(chǎng)：能夠清晰成像的物面范圍；物方視場(chǎng)：能夠清晰成像的物面范圍； 像方視場(chǎng)：相應(yīng)的能夠清晰成像的像面范圍；像方視場(chǎng)：相應(yīng)的能夠清晰成像的像面范圍； 2 2、入射窗與出射窗、入射窗與出射窗入射窗：入射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）視場(chǎng)光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）出射窗：出射窗：視場(chǎng)光闌經(jīng)其后面光學(xué)系

31、統(tǒng)所成的像（像空間）視場(chǎng)光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）物方視場(chǎng)角物方視場(chǎng)角2像方視場(chǎng)角像方視場(chǎng)角23 3、視場(chǎng)光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。、視場(chǎng)光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。物方線視場(chǎng)物方線視場(chǎng)2y像方線視場(chǎng)像方線視場(chǎng)2y長(zhǎng)度度量：長(zhǎng)度度量：角度度量：角度度量：物方視場(chǎng)角物方視場(chǎng)角2 像方線視場(chǎng)像方線視場(chǎng)2 4.4.視場(chǎng)表示方法：視場(chǎng)表示方法：孔闌孔闌PP 出瞳出瞳入瞳入瞳出窗出窗入窗入窗視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌主光線主光線主光線主光線5.5.確定視場(chǎng)光闌的方法：確定視場(chǎng)光闌的方法：討論條件：討論條件： 孔闌、入瞳、出瞳均為無(wú)窮?。ㄌ厥馇闆r），孔闌、入瞳、出瞳均為無(wú)窮小（特殊

32、情況），軸上軸外物點(diǎn)均只有一條主光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像。軸上軸外物點(diǎn)均只有一條主光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像。1）首先用尋找入瞳、孔闌的方法尋找到入瞳、孔闌。）首先用尋找入瞳、孔闌的方法尋找到入瞳、孔闌。2）將所有）將所有除孔闌外除孔闌外的光孔經(jīng)其前方光組成像到物空間，求的光孔經(jīng)其前方光組成像到物空間，求出每個(gè)光孔像的位置和大小。出每個(gè)光孔像的位置和大小。3）各）各光孔像光孔像中，對(duì)中，對(duì)入瞳中心張角入瞳中心張角最小者，像本身為入射窗，最小者，像本身為入射窗，像對(duì)應(yīng)的實(shí)際光孔即為視闌。視闌經(jīng)過(guò)后方光組成在像空像對(duì)應(yīng)的實(shí)際光孔即為視闌。視闌經(jīng)過(guò)后方光組成在像空間的像即為出射窗。間的像即為出射窗。5.5.確

33、定視場(chǎng)光闌的方法：確定視場(chǎng)光闌的方法：孔徑光闌和視場(chǎng)光闌的區(qū)別：孔徑光闌和視場(chǎng)光闌的區(qū)別：n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，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，但二者所起作用不同，但二者所起作用不同，前者主要限制成像光束的孔徑，即決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。定像的照度；后者決定視場(chǎng)，即物體被成像的范圍。n孔徑光闌縮小時(shí)，每一物點(diǎn)成像光束孔徑角變小，像面照度孔徑光闌縮小時(shí)，每一物點(diǎn)成像光束孔徑角變小，像面照度減小，但成像范圍不變減小，但成像范圍不變n 視場(chǎng)光闌縮小時(shí)，成像范圍變小，但能成像物點(diǎn)的孔徑角視場(chǎng)光闌

34、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。不變，即像的照度不變。n 孔徑光闌是對(duì)一定位置的物體而言的，而視場(chǎng)光闌是對(duì)一定孔徑光闌是對(duì)一定位置的物體而言的，而視場(chǎng)光闌是對(duì)一定位置的孔徑光闌而言的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。場(chǎng)光闌將可能被另外的光孔所代替。視場(chǎng)光闌的位置是相對(duì)固定的，其設(shè)置原則：視場(chǎng)光闌的位置是相對(duì)固定的，其設(shè)置原則：n盡量使入窗與物面重合，或像平面與出窗重合盡量使入窗與物面重合，或像平面與出窗重合不產(chǎn)生漸暈的必要條件不產(chǎn)生漸暈的必要條件。n視場(chǎng)光闌總是設(shè)置在系統(tǒng)的物面、實(shí)像

35、平面或中視場(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。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）除外（如放大鏡和伽利略望遠(yuǎn)鏡等） 照相機(jī)照相機(jī)書寫式投影儀書寫式投影儀顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡漸暈光闌漸暈光闌三、漸暈光闌三、漸暈光闌（Vignetting stop） 透鏡邊框起到透鏡邊框起到“攔光攔光”的作用的作用 （漸暈光闌漸暈光闌）

36、1、漸暈現(xiàn)象（、漸暈現(xiàn)象（像平面的邊緣比中間暗像平面的邊緣比中間暗）：）： 軸外點(diǎn)發(fā)出的充滿入瞳的光被透鏡的通光口徑軸外點(diǎn)發(fā)出的充滿入瞳的光被透鏡的通光口徑所攔截的現(xiàn)象（所攔截的現(xiàn)象（軸上與軸外點(diǎn)成像光束大小不同的現(xiàn)象軸上與軸外點(diǎn)成像光束大小不同的現(xiàn)象）漸暈的優(yōu)點(diǎn)：漸暈的優(yōu)點(diǎn)：提高像質(zhì)，減小橫向尺寸。提高像質(zhì)，減小橫向尺寸。漸暈的缺點(diǎn)漸暈的缺點(diǎn)：降低軸外點(diǎn)像面照度，能量減少。：降低軸外點(diǎn)像面照度，能量減少。A A、當(dāng)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)無(wú)視場(chǎng)光闌時(shí)：、當(dāng)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)無(wú)視場(chǎng)光闌時(shí)：將所有光孔投射到第一個(gè)光孔的物空間，對(duì)入瞳中心張角將所有光孔投射到第一個(gè)光孔的物空間，對(duì)入瞳中心張角最小的那個(gè)光孔的最小的那

37、個(gè)光孔的“像像”所共軛的光孔稱漸暈光闌；所共軛的光孔稱漸暈光闌；將所有的光孔投射到最后一個(gè)光孔的像空間，對(duì)出瞳中心將所有的光孔投射到最后一個(gè)光孔的像空間，對(duì)出瞳中心張角最小的那個(gè)光孔張角最小的那個(gè)光孔“像像”所共軛的光孔稱漸暈光闌；所共軛的光孔稱漸暈光闌；孔徑光闌無(wú)限小時(shí)，漸暈光闌直接限制成像范圍，過(guò)去孔徑光闌無(wú)限小時(shí)，漸暈光闌直接限制成像范圍，過(guò)去也稱為也稱為“視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌”，其像為，其像為“入射窗入射窗”、“出射窗出射窗”。B B、當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)有視場(chǎng)光闌時(shí)：、當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)有視場(chǎng)光闌時(shí)：也可能有漸暈光闌，此時(shí)漸暈光闌起到攔光的作用。也可能有漸暈光闌，此時(shí)漸暈光闌起到攔光的作用。2 2、漸暈光

38、闌的作用、漸暈光闌的作用：參與限制成像光束及成像范圍參與限制成像光束及成像范圍用什么來(lái)描述漸用什么來(lái)描述漸暈程度？暈程度？3 3、漸暈系數(shù)、漸暈系數(shù) 透鏡邊框起到透鏡邊框起到“攔光攔光”的作用的作用 面漸暈系數(shù)：面漸暈系數(shù)：線漸暈系數(shù)：線漸暈系數(shù)：漸暈系數(shù)漸暈系數(shù): 面漸暈系數(shù)面漸暈系數(shù)= =軸外點(diǎn)光束在入瞳上的截面積入瞳面積軸外點(diǎn)光束在入瞳上的截面積入瞳面積線漸暈系數(shù)線漸暈系數(shù)= =軸外點(diǎn)光束在入瞳上的高度入瞳直徑軸外點(diǎn)光束在入瞳上的高度入瞳直徑 攔光系數(shù)為（攔光系數(shù)為（1-k)1-k)D Dw w為斜光束在入射光瞳平面上垂直于光軸方向的寬度為斜光束在入射光瞳平面上垂直于光軸方向的寬度 DD

39、kpAAAk3 3、漸暈系數(shù)、漸暈系數(shù) 4、漸暈現(xiàn)象產(chǎn)生原因：、漸暈現(xiàn)象產(chǎn)生原因：入射窗與物平面不重合產(chǎn)生漸暈入射窗與物平面不重合產(chǎn)生漸暈1 1）以以AB1AB1為半徑的圓形區(qū)域：為半徑的圓形區(qū)域： B1B1點(diǎn)是由入射光瞳的下邊緣點(diǎn)是由入射光瞳的下邊緣P2P2與入射窗的下邊緣與入射窗的下邊緣M2M2的的連線與物平面的交點(diǎn)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)均以充滿入射連線與物平面的交點(diǎn)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)點(diǎn)均以充滿入射光瞳的全部光束成象。光瞳的全部光束成象。2 2）以以B1B2B1B2繞光軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的環(huán)形區(qū)域：繞光軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的環(huán)形區(qū)域： B2B2點(diǎn)是由入射光瞳中心點(diǎn)是由入射光瞳中心P P和入射窗的下

40、邊緣和入射窗的下邊緣M2M2的連線的連線與物平面相交確定的。在此區(qū)域內(nèi)，已不能使所有點(diǎn)以與物平面相交確定的。在此區(qū)域內(nèi)，已不能使所有點(diǎn)以充滿入射光瞳的光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成象，這就是軸外點(diǎn)充滿入射光瞳的光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成象，這就是軸外點(diǎn)的漸暈。的漸暈。 在物面上的整個(gè)成像范圍內(nèi)，隨著成像光束的不同，在物面上的整個(gè)成像范圍內(nèi)，隨著成像光束的不同，可分為三個(gè)區(qū)域：可分為三個(gè)區(qū)域：由由B1B1到到B2B2點(diǎn)，線漸暈系數(shù)由點(diǎn)，線漸暈系數(shù)由1 1降到降到0.50.5線漸暈系數(shù)為線漸暈系數(shù)為1 13 3）以以B2B3B2B3繞光軸旋轉(zhuǎn)一周所得到的環(huán)形區(qū)域：繞光軸旋轉(zhuǎn)一周所得到的環(huán)形區(qū)域：點(diǎn)點(diǎn)B3B3是由入射是

41、由入射光瞳的上邊緣光瞳的上邊緣P1P1和入射窗的下邊緣的連線和物平面相交確定和入射窗的下邊緣的連線和物平面相交確定的。的。由由B2B2點(diǎn)到點(diǎn)到B3B3點(diǎn)，線漸暈系數(shù)由點(diǎn)，線漸暈系數(shù)由0.50.5降到降到0 0。例例6 6：有一光闌其孔徑為有一光闌其孔徑為2.52.5厘米，位于透鏡前厘米，位于透鏡前1.51.5厘厘米處，透鏡焦距為米處，透鏡焦距為3 3厘米，孔徑厘米，孔徑4 4厘米。長(zhǎng)為厘米。長(zhǎng)為1 1厘米的厘米的物位于光闌前物位于光闌前6 6厘米處，厘米處，求：求：（1 1）入射光瞳和出射光瞳的位置及大?。┤肷涔馔统錾涔馔奈恢眉按笮?（2 2）像的位置，并作圖）像的位置，并作圖 因光闌前無(wú)

42、透鏡，直接比較光闌及透鏡對(duì)物因光闌前無(wú)透鏡，直接比較光闌及透鏡對(duì)物的張角，可知光闌即入射光瞳。出射光瞳是這光的張角，可知光闌即入射光瞳。出射光瞳是這光闌被其后面透鏡所成的像。闌被其后面透鏡所成的像。解：解：光闌光闌 ( 入瞳入瞳 )PQQ P F y y瞳出瞳出Ofll111已知：已知：l = -1.5 cm，f = 3cmcml325 . 13lnl nyycmyy525 . 2(1)出射光瞳的位置出射光瞳的位置(1)光闌光闌 ( 入瞳入瞳 )PQQ P F y y瞳出瞳出O(2)像的位置像的位置: :fll111cml5已知：已知：l = - ( 6 +1.5 ) cm，f = 3cm第二

43、節(jié)第二節(jié) 照相系統(tǒng)中的光闌照相系統(tǒng)中的光闌 一、照相機(jī)的三個(gè)組成部分一、照相機(jī)的三個(gè)組成部分 鏡頭、可變光闌（孔徑光闌）、感光底片鏡頭、可變光闌（孔徑光闌）、感光底片/ /暗盒（視場(chǎng)光闌）暗盒（視場(chǎng)光闌）軸上物點(diǎn)：軸上物點(diǎn)：孔徑光闌在不同孔徑光闌在不同 位置，對(duì)成像光束寬度的限位置，對(duì)成像光束寬度的限 制作用相同：都是光束的中制作用相同：都是光束的中 間部分參與成像。間部分參與成像。軸外物點(diǎn)：軸外物點(diǎn)：孔徑光闌孔徑光闌在在 不同位置，參與成像光不同位置，參與成像光 束的空間位置不同，成束的空間位置不同，成 像質(zhì)量不同。像質(zhì)量不同。軸外光束決定軸外光束決定 孔徑光闌的位置孔徑光闌的位置假設(shè)：透鏡

44、口徑足夠大假設(shè)：透鏡口徑足夠大 M N MNA A1、漸暈現(xiàn)象：、漸暈現(xiàn)象：像平面的像平面的邊緣邊緣比中間暗比中間暗（離軸物點(diǎn)）（離軸物點(diǎn)）。2、漸暈系數(shù)、漸暈系數(shù): DDK透鏡邊框起到透鏡邊框起到“攔光攔光”的作用。的作用。 二、漸暈現(xiàn)象二、漸暈現(xiàn)象 透鏡邊框起到透鏡邊框起到“攔光攔光”的作用的作用 三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié)三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié)3 3、感光底片邊框，即視場(chǎng)光闌；、感光底片邊框，即視場(chǎng)光闌；1 1、根據(jù)軸外光束的像質(zhì)選擇孔徑光闌位置；、根據(jù)軸外光束的像質(zhì)選擇孔徑光闌位置；2 2、軸外點(diǎn)成像光束寬度取決于孔徑光闌、漸暈光闌均有關(guān)；、軸外點(diǎn)成像光束寬度取決于孔徑光闌、漸暈光闌均有關(guān)

45、；4 4、孔徑光闌一般為圓形，視場(chǎng)光闌為圓形或者矩形。、孔徑光闌一般為圓形，視場(chǎng)光闌為圓形或者矩形?？讖焦怅@在物鏡中的位置孔徑光闌在物鏡中的位置說(shuō)明：入瞳大小的確定說(shuō)明：入瞳大小的確定n入瞳大小是由光學(xué)系統(tǒng)對(duì)成像光能量的要求或者對(duì)物體入瞳大小是由光學(xué)系統(tǒng)對(duì)成像光能量的要求或者對(duì)物體細(xì)節(jié)的分辨能力的要求確定的。細(xì)節(jié)的分辨能力的要求確定的。n相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑：入瞳直徑和焦距之比。：入瞳直徑和焦距之比。表示入瞳大小表示入瞳大小。n在照相系統(tǒng)中，以在照相系統(tǒng)中，以光闌指數(shù)光闌指數(shù)（ F F數(shù)，俗稱光圈）來(lái)表示數(shù)，俗稱光圈）來(lái)表示入瞳大小，是相對(duì)孔徑的倒數(shù)。入瞳大小，是相對(duì)孔徑的倒數(shù)。n顯微物鏡的入瞳用

46、數(shù)值孔徑表示。顯微物鏡的入瞳用數(shù)值孔徑表示。DfFfD11sinUnNA 相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑光圈指數(shù)（光圈指數(shù)（F數(shù)）數(shù)）fD/Df / 1,物鏡膠合透鏡.2,下棱鏡.3,上棱鏡.4,玻璃窗.5,感光屏.6,熒光粉.7,分劃板.8,目鏡組.9,橙色濾光鏡.所有玻璃組:玻璃目鏡第一五透鏡.目鏡后膠合透鏡.目鏡前膠合透鏡.物鏡第一透鏡.物鏡第二透鏡. 目視光學(xué)系統(tǒng)的目視光學(xué)系統(tǒng)的視角放大率：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，與該的正切，與該物體直接對(duì)眼睛張角物體直接對(duì)眼睛張角 的正切之比。的正切之比。tantan *概念區(qū)別：角放大率概念區(qū)別：角

47、放大率12tantanff 復(fù)習(xí)：第二章復(fù)習(xí)：第二章 第三節(jié)第三節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇 一、雙目望遠(yuǎn)鏡的組成一、雙目望遠(yuǎn)鏡的組成 1 1、構(gòu)成、構(gòu)成轉(zhuǎn)像轉(zhuǎn)像物鏡、目鏡的物鏡、目鏡的共同焦面上共同焦面上2、光學(xué)參數(shù)、光學(xué)參數(shù)6o28 30視覺放大率視覺放大率： 視場(chǎng)角：視場(chǎng)角： 108mmf物18mmf 目物鏡焦距：物鏡焦距： 目鏡焦距：目鏡焦距： 5mmD 出瞳直徑：出瞳直徑： 11mmzl 出瞳距離：出瞳距離： 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖DDf 物f目與人眼聯(lián)用與人眼聯(lián)用,滿足滿足光瞳銜接原則光瞳銜接原則DDf 物f目分劃板望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)

48、化圖分劃板分劃板的作用：分劃板的作用：3、分劃板、分劃板 分劃板位于物、目?jī)社R的共同焦面上：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，入射窗、出射窗均在無(wú)窮遠(yuǎn)處，分別與物、像面重合。分別與物、像面重合。tantanff 物目ffDDff物物目目DD 30mmDD 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖DDf 物f目出出瞳瞳入入瞳瞳視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌1）物鏡的左側(cè)）物鏡的左側(cè)10mm；2）物鏡上；）物鏡上；3）物鏡右側(cè)）物鏡右側(cè)10 mm 。2 2、孔徑光闌的位置：、孔徑光闌的位置：二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光束限制二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光束限制 1 1、光瞳銜接原則：、光瞳銜接原則： 前面系統(tǒng)

49、的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合。前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合。 追跡主光線追跡主光線 的投射高度的投射高度1 1）光闌在物鏡的左側(cè)）光闌在物鏡的左側(cè)10mm10mm：oooootg(4.25 )10mm tg(4.25 )0.75mmtg(4.25 )8mm0.75tgtg(4.25 )tg(4.25 )108tg()tg9.25mmtg20.zzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhd UhffUhhtgUtgUUfflhtgU 物分物物物物目目物物物物物目目目目物目目目目；5mm. tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計(jì)算法正切計(jì)算法ooooootg(4.25

50、)0tg(4.25 )0tg(4.25 )8mmtgtg(4.25 )tg(4.25 )tg0()tg(4.25 )9.36mmtg21mmzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhdUffhhtgUtgUUfflhtgU 物分物物物物目目物物物目目目目物目目目目；2）光闌在物鏡上：）光闌在物鏡上： tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計(jì)算法正切計(jì)算法3 3）光闌在物鏡右側(cè)）光闌在物鏡右側(cè)10mm10mm： ooztg(4.25 )11 tg(4.25 )0.82mmzhl物8mmzh分9.51mmzh目21.3mmzlz11111mm10108zll111zllf物t

51、antankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計(jì)算法正切計(jì)算法80三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)1 1、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時(shí)，一般應(yīng)滿足、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時(shí)，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則光瞳銜接原則；2 2、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于不小于6mm6mm；4 4、分劃板就是視場(chǎng)光闌分劃板就是視場(chǎng)光闌。3 3、孔徑光闌大致在物鏡左右孔徑光闌大致在物鏡左右； 4 4、光闌位置對(duì)軸外光束位置的選擇、光闌位置對(duì)軸外光束位置的選擇(1)(1)(2)(3)(3)(2) 第四節(jié)第四節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析

52、 一、簡(jiǎn)單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制一、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)成顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成二、遠(yuǎn)心光路二、遠(yuǎn)心光路 1、孔徑光闌在物鏡上、孔徑光闌在物鏡上(a) (a) 測(cè)距原理：測(cè)距原理：(b) (b) 調(diào)焦不準(zhǔn)：調(diào)焦不準(zhǔn)：2) 2) 由于調(diào)焦不精確，引由于調(diào)焦不精確，引 起像平面和標(biāo)尺平面起像平面和標(biāo)尺平面 不重合，從而導(dǎo)致測(cè)不重合，從而導(dǎo)致測(cè) 量誤差。量誤差。1) 1) 入瞳與物鏡邊框重合；入瞳與物鏡邊框重合；2、孔徑光闌在物鏡、孔徑光闌在物鏡 的像方焦平面上的像方焦平面上1) 入瞳位于物方無(wú)窮遠(yuǎn)。入瞳位于物方無(wú)窮遠(yuǎn)。A和和A1、B和和B1的主的主光線分別重合，且光線分別重合，

53、且軸外點(diǎn)的主光線平軸外點(diǎn)的主光線平行于主軸。行于主軸。3) 主光線是物點(diǎn)成像主光線是物點(diǎn)成像光束的中心軸，則光束的中心軸，則物點(diǎn)物點(diǎn)A1 B1在刻尺平在刻尺平面構(gòu)成的兩個(gè)彌散面構(gòu)成的兩個(gè)彌散斑的斑的中心間隔中心間隔始終始終不變。不變。 物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路 (a) 測(cè)距原理：測(cè)距原理：(b) 調(diào)焦不準(zhǔn)：調(diào)焦不準(zhǔn)：二、遠(yuǎn)心光路二、遠(yuǎn)心光路 三、場(chǎng)鏡的應(yīng)用三、場(chǎng)鏡的應(yīng)用 1 1、普通顯微鏡系統(tǒng)、普通顯微鏡系統(tǒng)2 2、長(zhǎng)光路顯微鏡系統(tǒng)、長(zhǎng)光路顯微鏡系統(tǒng)二次實(shí)像面二次實(shí)像面一次實(shí)像面一次實(shí)像面一次實(shí)像面一次實(shí)像面三、場(chǎng)鏡的應(yīng)用三、場(chǎng)鏡的應(yīng)用 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：出射出射主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的

54、口徑主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的口徑 必須非常大。必須非常大。 -1-1透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)：透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)：加長(zhǎng)光路加長(zhǎng)光路。轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的作用轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的作用 3、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法-1-1轉(zhuǎn)像系統(tǒng)轉(zhuǎn)像系統(tǒng) 場(chǎng)鏡：場(chǎng)鏡：與像平面重合、或者很靠近像平面的透鏡。與像平面重合、或者很靠近像平面的透鏡。 -1-1轉(zhuǎn)像系統(tǒng)轉(zhuǎn)像系統(tǒng) 場(chǎng)鏡效果：場(chǎng)鏡效果：a,a,主光線經(jīng)場(chǎng)鏡后通過(guò)主光線經(jīng)場(chǎng)鏡后通過(guò)-1-1轉(zhuǎn)像透鏡中心，轉(zhuǎn)像透鏡中心， 從而對(duì)后面系統(tǒng)的口徑要求最小。從而對(duì)后面系統(tǒng)的口徑要求最小。 b,b,場(chǎng)鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用。場(chǎng)鏡起到使前后系統(tǒng)的

55、光瞳銜接的作用。 實(shí)際設(shè)計(jì)：實(shí)際設(shè)計(jì)： 在在-1-1轉(zhuǎn)像透鏡前、物鏡的實(shí)像面處加轉(zhuǎn)像透鏡前、物鏡的實(shí)像面處加場(chǎng)鏡場(chǎng)鏡。四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)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；、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；4、長(zhǎng)光路顯微鏡系統(tǒng)：、長(zhǎng)光路顯微鏡系統(tǒng)： 利用場(chǎng)鏡達(dá)到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，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。減小光學(xué)零件尺寸。2、一次實(shí)像面處安放視場(chǎng)光闌；、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、測(cè)長(zhǎng)顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上 物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路第五節(jié)第五節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的景深光學(xué)系統(tǒng)的景深同

56、一位置不同景深的效果同一位置不同景深的效果一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像對(duì)準(zhǔn)平面對(duì)準(zhǔn)平面景像平面景像平面共軛共軛1、平面上的空間像：、平面上的空間像：空間點(diǎn)成像于一個(gè)像平面上。空間點(diǎn)成像于一個(gè)像平面上。 對(duì)準(zhǔn)平面外的空間點(diǎn)，在景象平面產(chǎn)生一個(gè)彌散斑。對(duì)準(zhǔn)平面外的空間點(diǎn)，在景象平面產(chǎn)生一個(gè)彌散斑。彌散斑的直徑與彌散斑的直徑與入瞳直徑入瞳直徑、與景象平面的距離與景象平面的距離有關(guān)。有關(guān)。 平面上的空間像的獲得：平面上的空間像的獲得： 方法一：方法一： 以以入瞳中心入瞳中心為投影中心，以各空間點(diǎn)的為投影中心，以各空間點(diǎn)的主光線主光線為投為投影方向，向影方向，向?qū)?zhǔn)平面對(duì)準(zhǔn)平面投影，對(duì)應(yīng)投影

57、點(diǎn)在景象平面上的投影，對(duì)應(yīng)投影點(diǎn)在景象平面上的共軛共軛點(diǎn)點(diǎn)即為空間點(diǎn)的平面像。即為空間點(diǎn)的平面像。 方法二：方法二：在像空間以在像空間以出瞳中心出瞳中心為投影中心，仍以各空間點(diǎn)為投影中心，仍以各空間點(diǎn)的出射主光線為投影方向，各空間像點(diǎn)向的出射主光線為投影方向，各空間像點(diǎn)向景象平面景象平面投影，可投影，可得空間點(diǎn)的平面像。得空間點(diǎn)的平面像。 投影中心前后移動(dòng)，所得投影像與景物不成比例。投影中心前后移動(dòng)，所得投影像與景物不成比例。 2、透視失真、透視失真 3、景像畸變、景像畸變pp1p1p2p2p 二、光學(xué)系統(tǒng)的景深二、光學(xué)系統(tǒng)的景深遠(yuǎn)景遠(yuǎn)景平面平面近景平面近景平面12 入瞳中心：入瞳中心：物空間

58、參數(shù)物空間參數(shù)的起算原點(diǎn)的起算原點(diǎn) 出瞳中心：出瞳中心：像空間像空間參數(shù)參數(shù)的起算原點(diǎn)的起算原點(diǎn) 成像空間的景深：成像空間的景深： 在景象平面上所獲得的成清晰像的在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度物空間深度。 對(duì)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)平面的彌散斑直徑：平面的彌散斑直徑：12z z11zz 22zz 景像景像平面的彌散斑直徑：平面的彌散斑直徑：1112pppaz2222pppaz由相似三角形得：由相似三角形得：1112pppaz2222pppaz1112ppzap 2222ppzap 1212, ,z za p p p 12,z z是否可以看做一個(gè)幾何點(diǎn)，取決于其對(duì)觀測(cè)元件的張角！兩個(gè)因素：觀測(cè)距離、極限

59、分辨角兩個(gè)因素：觀測(cè)距離、極限分辨角12zzzzp對(duì)準(zhǔn)平面上對(duì)應(yīng)彌散斑的允許值：對(duì)準(zhǔn)平面上對(duì)應(yīng)彌散斑的允許值：11112zapzpp21222zapzpp遠(yuǎn)景、近景到對(duì)準(zhǔn)平面的距離：遠(yuǎn)景、近景到對(duì)準(zhǔn)平面的距離：221222ppapap 1122zaapp2222zaapp1112ppzap2222ppzap遠(yuǎn)景、近景到入瞳的距離：遠(yuǎn)景、近景到入瞳的距離：1 2清晰像：彌散斑直徑對(duì)人眼的張角人眼的極限分辨角12,(2 , , )a p 眼睛眼睛ppu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：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：人眼的極限分辨角 正確透視距離：正確透視距離：觀

60、察距離滿足照片上各點(diǎn)對(duì)人眼睛的張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。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。眼睛眼睛ppu2a物方孔徑角物方孔徑角U：軸上物點(diǎn)：軸上物點(diǎn)-入瞳邊緣連線與光軸的夾角。入瞳邊緣連線與光軸的夾角。Upatan22221222ppapap 224tan4tanpUU 2,aU 光圈大小對(duì)于景深的影響光圈大小對(duì)于景深的影響224tan4tanpUU Upatan222,aU 例：照相機(jī)的原理圖例：照相機(jī)的原理圖 有效光闌起著限制成像光束口徑大小的作用，他影響有效光闌起著限制成像光束口徑大小的作用，他影響到空間成像的景深和焦