工程光學基礎教程第四章

1、整理課件整理課件u孔徑光闌、視場光闌的確定方法孔徑光闌、視場光闌的確定方法u遠心光路遠心光路u景深景深整理課件孔徑光闌孔徑光闌限制軸上物點光束大小的光孔，也稱為限制軸上物點光束大小的光孔，也稱為“” P1P2是孔徑光闌是孔徑光闌,主要用于控制成像面的光能！主要用于控制成像面的光能！孔徑光闌孔徑光闌BAP1P2O1PO2-UUAB1 1、孔徑光闌的定義與作用、孔徑光闌的定義與作用 整理課件孔徑光闌孔徑光闌2 2、入射光瞳和出射光瞳、入射光瞳和出射光瞳 P1P2孔徑光闌經孔徑光闌經前 方 光 學 系 統(tǒng)前 方 光 學 系 統(tǒng)所成的像所成的像 P1P2稱為入射光瞳，稱為入射光瞳，簡 稱 入 瞳 ，

2、入簡 稱 入 瞳 ， 入瞳邊緣對物點瞳邊緣對物點A的 張 角 稱 為 物的 張 角 稱 為 物方孔徑角方孔徑角2U孔徑光闌孔徑光闌BAQ1Q2P1P2P2P1O1PPO2-UU主光線主光線整理課件孔徑光闌孔徑光闌2 2、入射光瞳和出射光瞳、入射光瞳和出射光瞳 P1P2孔徑光闌經孔徑光闌經后 方 光 學 系 統(tǒng)后 方 光 學 系 統(tǒng)所成的像所成的像 P1P2稱為出射光瞳，稱為出射光瞳，簡 稱 出 瞳 ， 出簡 稱 出 瞳 ， 出瞳邊緣對物點瞳邊緣對物點A的 張 角 稱 為 像的 張 角 稱 為 像方孔徑角方孔徑角2U出射光瞳出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌入射光瞳入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1

3、P2O1PPPO2-UU整理課件通過入瞳中心的光線稱為通過入瞳中心的光線稱為主光線主光線，也通過孔徑光闌和，也通過孔徑光闌和出射光瞳中心出射光瞳中心,是是各個物點發(fā)出的成像光束的光束軸線。各個物點發(fā)出的成像光束的光束軸線。 出射光瞳出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌入射光瞳入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU主光線主光線整理課件孔徑光闌孔徑光闌3 3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 整理課件孔徑光闌孔徑光闌3 3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 首先，將系統(tǒng)中所有零件的光孔成像到物空間，首先，將系統(tǒng)中所有零件的光

4、孔成像到物空間，用計算方法用計算方法確定確定其位置和大小其位置和大小 。第二步，由物面中心第二步，由物面中心A點對各個像的邊緣引直線，入點對各個像的邊緣引直線，入射光瞳是其中張角最小者，對應的物為孔徑光闌。射光瞳是其中張角最小者，對應的物為孔徑光闌。O2AO1O2PP1P2F1P1P2整理課件孔徑光闌孔徑光闌3 3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 若物體位于無限遠，若物體位于無限遠，此時僅比較各個像本身的大此時僅比較各個像本身的大小，其口徑最小者即為入射光瞳。小，其口徑最小者即為入射光瞳。 確定孔徑光闌的方法，也可以先確定出射光瞳。確定孔徑光闌的方法，也可以先確

5、定出射光瞳。對稱于光闌的對稱式系統(tǒng)：入射光瞳和出射光瞳的對稱于光闌的對稱式系統(tǒng)：入射光瞳和出射光瞳的大小和倒正都一樣，入瞳和出瞳之間的倍率為大小和倒正都一樣，入瞳和出瞳之間的倍率為+1，入，入射光瞳面和出射光瞳面分別與光學系統(tǒng)的物方主平面射光瞳面和出射光瞳面分別與光學系統(tǒng)的物方主平面和像方主平面重合。和像方主平面重合。整理課件孔徑光闌孔徑光闌3 3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 常常以入瞳直徑和焦距之比值來表示，以入瞳直徑和焦距之比值來表示， 稱為稱為，它是光學系統(tǒng)的一個重要的性能指標。它是光學系統(tǒng)的一個重要的性能指標。/ fD整理課件孔徑光闌孔徑光闌3 3、

6、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 對于目視光學系統(tǒng)，出瞳必須在目鏡外，便于與對于目視光學系統(tǒng)，出瞳必須在目鏡外，便于與其銜接。其銜接。在投影計量光學中，要求入瞳或出瞳位于無窮遠。在投影計量光學中，要求入瞳或出瞳位于無窮遠。在光學設計時，可以合理設置孔徑光闌位置用以在光學設計時，可以合理設置孔徑光闌位置用以校正像差。校正像差?？梢院侠碓O置孔徑光闌的大小來匹配光學鏡組之可以合理設置孔徑光闌的大小來匹配光學鏡組之間的能量。間的能量。整理課件視場光闌視場光闌 限制物平面或物空間范圍的光闌稱限制物平面或物空間范圍的光闌稱視場光闌視場光闌。 Q1Q2是是視場光視場光闌闌。Q1

7、Q2為入射窗為入射窗;Q1Q2本身也為本身也為出射窗出射窗。通常設置在系統(tǒng)通常設置在系統(tǒng)的實像平面或物的實像平面或物平面平面出射光瞳出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌入射光瞳入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU視場光闌視場光闌(出射窗出射窗)入射窗入射窗Q1Q2整理課件(2)計算這些像的邊緣對入瞳中心的張角大小。張角最計算這些像的邊緣對入瞳中心的張角大小。張角最小者即為入射窗，入射窗對應的光學零件小者即為入射窗，入射窗對應的光學零件2入射窗邊緣對入瞳中心的張入射窗邊緣對入瞳中心的張角為物方視場角角為物方視場角 ，同，同時也決定了視場邊緣點。時也決定了視場邊緣點。視場光闌經后面

8、光學零件所視場光闌經后面光學零件所成的像即為出射窗，出射窗對出瞳中心的張角即為像成的像即為出射窗，出射窗對出瞳中心的張角即為像方視場角方視場角 。2確定視場光闌的方法：確定視場光闌的方法： (1)把孔徑光闌以外的所有光孔經前面的光學系統(tǒng)成把孔徑光闌以外的所有光孔經前面的光學系統(tǒng)成像到物空間，確定入瞳中心位置像到物空間，確定入瞳中心位置 (實際上在確定孔徑實際上在確定孔徑光闌時這一步驟已完成光闌時這一步驟已完成)。 整理課件BABO2O1O2PPAP入射窗入射窗出射光瞳出射光瞳孔徑光闌孔徑光闌入射光瞳入射光瞳:物方線視場為物高的兩倍，以物方線視場為物高的兩倍，以2y表示。像方表示。像方線視場為像

9、高的兩倍，以線視場為像高的兩倍，以2y表示。表示。整理課件減小孔徑光闌并不會對視場產生影響減小孔徑光闌并不會對視場產生影響孔徑光闌的變化孔徑光闌的變化孔徑光闌孔徑光闌BAP1P2O1PPPO2-UU主光線主光線視場光闌在像方對光線的限制在本質上是在物方對光視場光闌在像方對光線的限制在本質上是在物方對光線的限制。線的限制。整理課件例：有一個由三個光學零件組成的光組，透鏡例：有一個由三個光學零件組成的光組，透鏡O1,其口徑其口徑D14mmf1=36mm，透鏡，透鏡O2，其口徑，其口徑 D212mm，f2=15mm,二透鏡間隔二透鏡間隔195mm，在，在離透鏡離透鏡O1右右180mm處設有一光孔處設

10、有一光孔D310mm，物點離透鏡物點離透鏡Ol為為-45mm1）求孔徑光闌和入瞳）求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置出瞳的大小和位置?2)求視場光闌和入窗出窗的求視場光闌和入窗出窗的大小和位置？大小和位置？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm整理課件解：光孔解：光孔D3經經O1成像成像mmflfll45361803618013133在在O1左方與物點重合左方與物點重合mmDllD5 . 210180453333AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm整理課件AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=1

11、2mm透鏡透鏡O2經經O1成像成像 mmflfll15.44361953619512122mmDllD72. 21219515.442222整理課件AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（1）求孔徑光闌、入瞳、出瞳）求孔徑光闌、入瞳、出瞳044. 04521tgU6 . 115.44452/72. 22tgU02/5 . 23tgUU1最小，故物鏡框最小，故物鏡框O1是入瞳，也是孔徑光闌。它經是入瞳，也是孔徑光闌。它經O2的像為出瞳。的像為出瞳。 mmflfll25.16151951519521211mmDllD33. 0419525.161111整理課件A

12、O1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（2）求視場光闌、入窗、出窗）求視場光闌、入窗、出窗 0307. 019560278. 0180523tgtg故光孔故光孔O3為視場光闌，入窗與物平面重合，大為視場光闌，入窗與物平面重合，大小為小為2.5mm2.5mm，出窗在無窮遠，出窗在無窮遠 整理課件作業(yè)作業(yè)O2O4AF1BO1O3F1F2ABF2如 圖 所 示 ， 有 一 光 學 透 鏡 組如 圖 所 示 ， 有 一 光 學 透 鏡 組 O1, O2的 口 徑的 口 徑D1=D2=50mm,焦距焦距f1=f2=150,兩透鏡間距為兩透鏡間距為300mm,并在中間置以

13、光孔并在中間置以光孔O3,口徑口徑D3=20mm,透鏡透鏡O2右側右側150mm出置一光孔出置一光孔O4,孔徑孔徑D4=40mm,平面物體處于平面物體處于透鏡透鏡O1左側左側150mm處。處。1）求孔徑光闌和入瞳出瞳）求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置？的大小和位置？2）求視場光闌和入窗出窗的大小和）求視場光闌和入窗出窗的大小和位置？位置？O4整理課件照相系統(tǒng)組成照相系統(tǒng)組成整理課件f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64整理課件光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響整理課件光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響整理課件

14、光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響整理課件光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響整理課件光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響整理課件光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響整理課件光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響整理課件常見照相系統(tǒng)的光闌位置常見照相系統(tǒng)的光闌位置整理課件漸暈光闌漸暈光闌整理課件漸暈光闌漸暈光闌整理課件漸暈光闌漸暈光闌整理課件漸暈光闌漸暈光闌整理課件漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌整理課件漸暈光闌漸暈光闌 軸外物點充滿孔徑光闌的光束被部分地攔截，稱為軸外物點充滿孔徑光闌的光束被部分地攔截，稱為“漸暈漸暈”。，漸暈光闌多

15、為，漸暈光闌多為透鏡框。漸暈光闌的作用是參與限制軸外點成像光束。透鏡框。漸暈光闌的作用是參與限制軸外點成像光束。整理課件漸暈光闌漸暈光闌DDDDK整理課件望遠鏡系統(tǒng)的組成望遠鏡系統(tǒng)的組成整理課件望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置整理課件望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置整理課件簡單顯微系統(tǒng)中的光束限制簡單顯微系統(tǒng)中的光束限制整理課件遠心光路遠心光路物方遠心光路物方遠心光路像方遠心光路像方遠心光路整理課件物方遠心光路物方遠心光路 光學儀器中的很大部分儀器用來測量長度。光學儀器中的很大部分儀器用來測量長度。有一類光學儀器要求以有一類光學儀器要求以“” 使被測物之使被測物之像與一刻尺相比

16、，以求得一被測物之長度。像與一刻尺相比，以求得一被測物之長度。整理課件物方遠心光路物方遠心光路 光學儀器中的很大部分儀器用來測量長度。光學儀器中的很大部分儀器用來測量長度。有一類光學儀器要求以有一類光學儀器要求以“” 使被測物之使被測物之像與一刻尺相比，以求得一被測物之長度。像與一刻尺相比，以求得一被測物之長度。工具顯微鏡工具顯微鏡按工具顯微鏡的工作臺的大小按工具顯微鏡的工作臺的大小和可移動的距離、測量精度的和可移動的距離、測量精度的高低以及測量范圍的寬窄，一高低以及測量范圍的寬窄，一般分為般分為。它們的測量精度和測量。它們的測量精度和測量范圍不同，但基本結構、測量范圍不同，但基本結構、測量方

17、法大致相同方法大致相同 整理課件孔徑光闌為物鏡鏡框的情況孔徑光闌為物鏡鏡框的情況整理課件孔徑光闌移至物鏡鏡框后焦平面出的情況孔徑光闌移至物鏡鏡框后焦平面出的情況由于光學系統(tǒng)物方主光線平行于光軸主光線的會聚由于光學系統(tǒng)物方主光線平行于光軸主光線的會聚中心位于物方無限遠，故稱為物方遠心光路。中心位于物方無限遠，故稱為物方遠心光路。整理課件測量顯微鏡物方遠心光路。測量顯微鏡物方遠心光路?？讖焦怅@孔徑光闌整理課件像方遠心光路像方遠心光路另一類光學儀器是把標尺放在不同的位置，通過改另一類光學儀器是把標尺放在不同的位置，通過改變光學系統(tǒng)的放大率而使標尺像等于一個已知值，變光學系統(tǒng)的放大率而使標尺像等于一個

18、已知值，以求得儀器到標尺之間的距離。以求得儀器到標尺之間的距離。經緯儀經緯儀整理課件像方遠心光路像方遠心光路這種情況如果孔徑光闌仍為物鏡框，由于調焦不準，這種情況如果孔徑光闌仍為物鏡框，由于調焦不準，標尺的像不與分劃板刻線平面重合，使讀數(shù)產生誤差標尺的像不與分劃板刻線平面重合，使讀數(shù)產生誤差而影響測量精度。而影響測量精度。整理課件像方遠心光路像方遠心光路為消除或減小這種誤差，可以在為消除或減小這種誤差，可以在物鏡的物方焦平面上物鏡的物方焦平面上設置一個孔徑光闌設置一個孔徑光闌。 整理課件整理課件場鏡的應用場鏡的應用在一些應用中，需要加長光學系統(tǒng)，以滿足出瞳的匹在一些應用中，需要加長光學系統(tǒng)，以

19、滿足出瞳的匹配要求。配要求。 一種方法是在系統(tǒng)中加入一個放大倍率為一種方法是在系統(tǒng)中加入一個放大倍率為-1倍的成像倍的成像透鏡。透鏡。 整理課件場鏡的應用場鏡的應用整理課件場鏡的應用場鏡的應用在一些應用中，需要加長光學系統(tǒng)，以滿足出瞳的匹在一些應用中，需要加長光學系統(tǒng)，以滿足出瞳的匹配要求。配要求。 一種方法是在系統(tǒng)中加入一個放大倍率為一種方法是在系統(tǒng)中加入一個放大倍率為-1倍的成像倍的成像透鏡。透鏡。 這種方法為導致主光線在目鏡上的透射高度很高，從這種方法為導致主光線在目鏡上的透射高度很高，從而是目鏡的口徑大大增加。而是目鏡的口徑大大增加。 整理課件場鏡的應用場鏡的應用整理課件場鏡的應用場鏡

20、的應用加入薄透鏡不會改變原成像系統(tǒng)的特性。加入薄透鏡不會改變原成像系統(tǒng)的特性。 加入薄透鏡也不會改變軸上點光束的行進走向加入薄透鏡也不會改變軸上點光束的行進走向。 整理課件 前面討論的只是在垂直于光軸的前面討論的只是在垂直于光軸的平面上點的成像平面上點的成像問問題，屬于這種情況的光學系統(tǒng)有照相制版物鏡，電影題，屬于這種情況的光學系統(tǒng)有照相制版物鏡，電影放映物鏡等。實際上，有很多儀器需要把放映物鏡等。實際上，有很多儀器需要把空間中的物空間中的物點成像點成像在一個像面上，如望遠鏡和照相機等。這就存在一個像面上，如望遠鏡和照相機等。這就存在著空間物在平面上成像的清晰度問題。在著空間物在平面上成像的清

21、晰度問題。整理課件 光學系統(tǒng)的空間像光學系統(tǒng)的空間像整理課件 光學系統(tǒng)的空間像光學系統(tǒng)的空間像整理課件 光學系統(tǒng)的空間像光學系統(tǒng)的空間像整理課件 光學系統(tǒng)的空間像光學系統(tǒng)的空間像整理課件 當彌散斑直徑小于人眼的鑒別能當彌散斑直徑小于人眼的鑒別能力，實際像產生的模糊是無法辨力，實際像產生的模糊是無法辨認的，可視為清晰像。此時，這認的，可視為清晰像。此時，這個彌散斑稱為個彌散斑稱為。光學系統(tǒng)的景深光學系統(tǒng)的景深整理課件在對焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓在在對焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓在物空間對應的物平面之間的距離就叫物空間對應的物平面之間的距離就叫。P1pp2整理課件光圈值發(fā)生變化光圈值發(fā)生變化焦深焦深焦焦深深ZZ整理課件對于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大對于固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大整理課件22211122pppaZpppaZ 1 2p1pp2p1p2pZ2Z1B2B1a2整理課件由相似三角形關系可得由相似三角形關系可得22211122pppaZpppaZ22112222ZaappZaapp遠景深遠景深11112ZapZpp22222ZapZpp近景深近景深遠近點遠近點整理課件遠景深遠景深近景深近景深pZZZ21通常容許彌散圓可表示為：通常容許