工程光學(xué)第四章光闌課件

1、工程光學(xué)第四章光闌2022/7/172光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳 2景深和焦深 4概述 31光學(xué)系統(tǒng)的視場光闌和入射窗、出射窗3335遠(yuǎn)心光路工程光學(xué)第四章光闌2022/7/173光闌的定義：夾持光學(xué)零件的金屬框（透鏡框、棱鏡框）限制了成像光束的大小，光學(xué)系統(tǒng)中這種限制成像光束的光孔稱為光闌。 若光孔的大小是可變化的，這種光闌稱為“可變光闌”。 若光孔的大小是不變的，這種光闌稱為“不可變光闌”。 4-1 概述工程光學(xué)第四章光闌2022/7/174以普通照相機(jī)來說明光闌可變光闌底片工程光學(xué)第四章光闌2022/7/175光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用：1.決定像面的照度。（孔徑光闌）2.決定系統(tǒng)的視場

2、。（視場光闌） 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。（漸暈光闌）4. 攔截系統(tǒng)中有害的雜散光。（消雜光光闌）工程光學(xué)第四章光闌2022/7/176 4-2 孔徑光闌、入瞳、出瞳一、孔徑光闌：光學(xué)系統(tǒng)中用于限制成像光束大小的光闌稱為孔徑光闌，如照相機(jī)中的可調(diào)光圈就是該系統(tǒng)的孔徑光闌。 在光學(xué)系統(tǒng)中，描述成像光束大小的參量稱為孔徑，系統(tǒng)對(duì)近距離物體成像時(shí)，其孔徑大小用孔徑角U表示，對(duì)無限遠(yuǎn)物體成像時(shí)，孔徑大小用孔徑高度h表示，如圖4-1所示。工程光學(xué)第四章光闌2022/7/177二、光束限制的共軛原則所謂光束限制共軛原則是指，當(dāng)一條光線被其所在介質(zhì)空間的某一元器件的口徑所

3、限制，則該光線的共軛光線也將被器件共軛像的口徑所限制，如圖4-2。 一個(gè)器件對(duì)光束的限制狀況可以在任一個(gè)介質(zhì)空間進(jìn)行判斷，但是，出于可比性，通常將所有器件都成像在同一介質(zhì)空間來對(duì)光束限制的狀況作比較。 AAIIII圖4-2工程光學(xué)第四章光闌2022/7/178三、孔徑光闌的判斷在共軸光學(xué)系統(tǒng)中，各光學(xué)元器件按其設(shè)計(jì)的組合順序依次排列，成像光束在經(jīng)過各個(gè)元器件時(shí)，由于每個(gè)器件的通光口徑大小和位置不同，對(duì)軸上物點(diǎn)允許通過的光束大小也不同。找出其中允許通過光束最小的元器件，便是孔徑光闌，如圖4-3所示 。物A.S.L像圖4-3工程光學(xué)第四章光闌2022/7/179孔徑光闌的判斷具體判斷方法是：1首先

4、求出所有的通光元件在系統(tǒng)物方的共軛“像”。即對(duì)每一器件從右到左，由像空間對(duì)其左方的所有成像元件進(jìn)行成像，得到所有器件在物方空間的共軛“像”。2在物空間確定各器件允許通過光束的最大孔徑角（當(dāng)物在無限遠(yuǎn)時(shí)，確定所允許通過光束的最大高度）。即由給定的軸上物點(diǎn)以不同的孔徑角去連接各個(gè)元件在物方的共軛“像”邊緣，這些孔徑角代表了各器件對(duì)軸上物點(diǎn)限制的最大光束；3比較出其中孔徑角為最?。ㄎ镌跓o限遠(yuǎn)時(shí)為孔徑高度最小）所對(duì)應(yīng)的器件，該元件就是系統(tǒng)的孔徑光闌。 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1710孔徑光闌的判斷例4-1：如圖4-4a所示，D1為一透鏡，D2為一光孔，用作圖法判斷何者為孔徑光闌。 解： 將D1

5、、D2在物方求“像”。由于D1前面無成像透鏡，它在物方的共軛像D1就是其本身，D2對(duì)D1成像于D2（其作圖法可參照理想光學(xué)系統(tǒng)由像求物的作圖方法），如圖4-4b所示。由物點(diǎn)A連接D1、D2的邊緣，張角分別為U1、U2，比較得出U2U1 ，所以D2為孔徑光闌。該系統(tǒng)的最大孔徑為U2。 AD1FFD2AU1FU221DDD2F圖4-4 (a) (b) 圖4-4 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1711孔徑光闌的判斷應(yīng)當(dāng)指出，光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌只是對(duì)確定的物體位置而言的，如果物體位置發(fā)生變化，原來孔徑光闌有可能失去限制作用而被其它器件所代替，孔徑光闌的所屬將發(fā)生變化。如例題4-1中，當(dāng)物體移至無限遠(yuǎn)

6、，這時(shí)軸上物點(diǎn)發(fā)出的平行光束中，D1允許通過的孔徑高度最小，因此，此時(shí)D1成為孔徑光闌。 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1712例2：如圖4-5a所示，L1，L2是兩個(gè)直徑相等的正薄透鏡，A為物點(diǎn)，P是光孔，已知透鏡的焦距 ， ，物距孔徑光闌的判斷間距，直徑，求此系統(tǒng)的孔徑光闌。 D =2=6=6A100D1P401LPD2202L圖4-5a工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1713解 求出所有器件在物空間的像。為此將整個(gè)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)180，首先，光孔P經(jīng)透鏡L1成像：孔徑光闌的判斷，得： （表示直徑大小可不考慮符號(hào)）再將透鏡L2對(duì)透鏡L1成像： ，得：，得：，得：透鏡L1本身處在物空間，不必成像

7、。將上述所有成像結(jié)果再轉(zhuǎn)回180，得到圖4-5b。工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1714孔徑光闌的判斷由物點(diǎn)A像所有物空間的器件像邊緣作連線，比較邊緣光線的角度。 比較以上三個(gè)孔徑角，有所以得出光孔P為孔徑光闌。 D =3A2PD =2P2LD =2D1=6P40D2=620(L )11LP2L圖4-5b工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1715四、入射光瞳和出射光瞳 要找到孔徑光闌，首先應(yīng)使所有的光孔處于同一空間。即 所有光孔投射到第一光孔的物空間，對(duì)軸上物點(diǎn)A張角最小的光孔“像”所共軛的光孔為孔徑光闌,該光孔“像”稱入射光瞳。 .或所有光孔投射到最后一個(gè)光孔的像空間，對(duì)軸上像點(diǎn)A張角最小的

8、光孔“像”所共軛的光孔為孔徑光闌,該光孔“像”稱為出射光瞳。工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1716QQQ2A -UP1PP2入射光瞳孔徑光闌L1L2L2BACK工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1717將光學(xué)系統(tǒng)中所有光學(xué)元件的通光孔分別通過其前面的光學(xué)元件成像到整個(gè)系統(tǒng)的物空間去，系統(tǒng)的入射光瞳必然是其中對(duì)物面中心的張角為最小的一個(gè)。 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1718PL1AU孔徑光闌QQ2QL2PP出射光瞳L1工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1719將光學(xué)系統(tǒng)中所有光學(xué)元件的通光孔分別通過其后面的光學(xué)元件成像到整個(gè)系統(tǒng)的像空間去，系統(tǒng)的出射光瞳必然是其中對(duì)像面中心的張角為最小的一個(gè)

9、。 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1720 入瞳、出瞳與孔徑光闌的共軛關(guān)系2.入射光瞳與孔徑光闌對(duì)其前面的光學(xué)系統(tǒng)而言就是共軛關(guān)系； 3.出射光瞳與孔徑光闌對(duì)其后面的光學(xué)系統(tǒng)而言是共軛關(guān)系；1.入瞳是物面上所有各點(diǎn)發(fā)出的光束的共同入口；出瞳是物面上各點(diǎn)發(fā)出光束經(jīng)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)以后從最后一個(gè)光孔出射的共同出口。 4.入瞳與出瞳對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)是共軛的。工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1721 一般指由軸外物點(diǎn)發(fā)出通過入射光瞳中心的光線稱為主光線由于共軛關(guān)系，主光線也必然通過孔徑光闌中心和出瞳中心。主光線是各個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的成像光束的光束軸線。五、主光線的概念工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1722六、

10、孔徑角的概念：由軸上物點(diǎn)A向入射光瞳的邊緣所引直線的張角，這個(gè)張角稱物方孔徑角。一般用2U表示。由軸上像點(diǎn)A向出射光瞳邊緣所引的張角，這個(gè)張角稱像方孔徑角。一般用2U 表示。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 NEXT10工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1723對(duì)于不同類型的光學(xué)系統(tǒng)，有不同的表示方法來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)越高工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1724望遠(yuǎn)系統(tǒng)和攝影系統(tǒng)

11、常用相對(duì)孔徑A來表示 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)語光闌指數(shù)，用F來表示，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。 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1725必須注意： 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如果物體位置發(fā)生變化，原來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。 對(duì)于無限遠(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。工程光學(xué)第四章光闌2022/7/17264-3 視場光闌 入射窗 出射窗 光學(xué)系統(tǒng)的成像范圍是有

12、限的。如: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定成像物體的大小一、視場光闌定義：工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1727定義：限制成像范圍大小的光闌稱為視場光闌。 描述成像范圍大小的參量稱為視場，近距離物體成像的視場一般用物體的高度y表示，無限遠(yuǎn)物體成像的視場用視場角 表示。一視場光闌圖4-9工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1728光學(xué)系統(tǒng)的視場光闌對(duì)成像的范圍（或稱視場大?。┢鹣拗谱饔?。一般情況下，視場光闌多設(shè)在像面或物面上，有時(shí)也設(shè)在系統(tǒng)成像過程中的某個(gè)中間實(shí)像面上，如圖4-10所示，這樣，物或像的大小直接被限制在視場光闌的口徑內(nèi)，口徑以外的部分將被攔去而不能成

13、像。視場光闌AyB孔徑光闌孔徑光闌wFy視場光闌視場光闌a 視場光闌設(shè)在像面b視場光闌設(shè)在物面c視場光闌設(shè)在中間像面 圖5-10圖4-10工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1729二、入射窗 出射窗與孔徑光闌類似，視場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（簡稱入窗）。視場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（簡稱出窗）工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1730如果孔徑光闌或入射光瞳都非常小時(shí)，只有沿主光線的一束無限細(xì)光束能通過光學(xué)系統(tǒng) 孔徑光闌AL1L2BC出射光瞳入射窗PQP入射光瞳AB視場光闌（出射窗）工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1731把孔徑光闌以外的

14、所有光孔通過其前面的光組成像，則在這些像中入射窗對(duì)入瞳中心的張角為最小。入射窗限制著物空間的成像范圍工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1732把除孔徑光闌外的所有光孔通過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范圍入射窗和出射窗共軛。入射窗、視場光闌對(duì)位于其前面的光學(xué)系統(tǒng)共軛；出射窗、視場光闌對(duì)位于其后面的光學(xué)系統(tǒng)共軛；工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1733三、視場角的概念： 把入瞳中心對(duì)入射窗的張角，稱為物方視場角。以2表示。出瞳中心對(duì)出射窗的張角，稱為像方視場角，以2表示。需要注意：視場光闌是對(duì)一定位置的孔徑光闌而言的。工程光學(xué)第四章光

15、闌2022/7/1734光學(xué)系統(tǒng)的視場大小用兩種方法表示 線視場：對(duì)近距離成像的光組，常用能看到的物平面直徑來表示 視場角：對(duì)遠(yuǎn)距離或無限遠(yuǎn)物體成像的光組，常用角度來表示其視場的大小這就是前面談到過的物方視場角2和像方視場角2。 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1735常見實(shí)例攝影系統(tǒng)：像面的大小決定視場角2W的大小 望遠(yuǎn)鏡：中間實(shí)像面上分劃板的大小決定視場角2W的大小 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1736綜上所述，孔徑光闌和視場光闌是光學(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，即物體被成像的范圍。 切不可把孔徑光闌和視場光闌混為一談 工程光學(xué)

16、第四章光闌2022/7/17374-4 光學(xué)系統(tǒng)的景深問題:為什么看許多照片時(shí)感覺遠(yuǎn)近都清楚？ 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。 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。 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1738ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1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成清晰像工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1739理論上，只有共軛的物平面才能在像平面上成清晰像，其他物點(diǎn)所成的像均為彌散斑。但當(dāng)此斑對(duì)眼睛的張

17、角小于眼睛的最小分辨角1時(shí)，人眼看起來仍為一點(diǎn)。此時(shí)，該彌散斑可認(rèn)為是空間點(diǎn)在平面上的像。 能在像平面上獲得清晰像時(shí)沿光軸方向的物空間深度稱為景深工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1740ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1對(duì)準(zhǔn)平面：像面所對(duì)應(yīng)的共軛面遠(yuǎn)景深：對(duì)準(zhǔn)平面以遠(yuǎn)能成清晰像的物空間深度近景深：對(duì)準(zhǔn)平面以近能成清晰像的物空間深度景深為近景深與遠(yuǎn)景深之和。工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1741與景深有關(guān)的因素景深隨入瞳的增大而減小 景深隨對(duì)準(zhǔn)平面距離的增大而增大 景深隨放大率（或焦距）的增大而減小 景深隨像面分辨率的增加而減小工程光學(xué)第四

18、章光闌2022/7/1742左圖：要拍攝小景深的照片，如特定鏡頭，應(yīng)選擇長焦距、大的相對(duì)孔徑即小的光圈數(shù)，對(duì)準(zhǔn)距離近。 右圖：要拍攝大景深的照片，如遠(yuǎn)景鏡頭，應(yīng)選擇短焦距、小的相對(duì)孔徑即大的光圈數(shù)，對(duì)準(zhǔn)距離遠(yuǎn)。 工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1743ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1焦深：當(dāng)物面位置固定時(shí)，得到清晰像時(shí)像平面沿光軸的移動(dòng)量。工程光學(xué)第四章光闌2022/7/17444-5 遠(yuǎn)心光路遠(yuǎn)心光路分為：物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路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，來求儀器到標(biāo)尺間距離，如大地測量儀器中的視距測量。一類儀器是光學(xué)系統(tǒng)有一定放大率，使被測物的像和標(biāo)準(zhǔn)刻尺相比，求被測物體的長度，如工具顯微鏡等計(jì)量儀器。工程光學(xué)第四章光闌2022/7/1745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)這種測量方法的測量精度