光學系統(tǒng)中的光束限制

1、光學系統(tǒng)中的光束限制第1頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一本章重點孔徑光闌、視場光闌的確定方法遠心光路景深第2頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一孔徑光闌限制軸上物點光束大小的光孔，也稱為“有效光闌” P1P2是孔徑光闌,主要用于控制成像面的光能！孔徑光闌BAP1P2O1PO2-UUAB1、孔徑光闌的定義與作用 第3頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一孔徑光闌2、入射光瞳和出射光瞳 P1P2孔徑光闌經(jīng)前方光學系統(tǒng)所成的像 P1P2稱為入射光瞳，簡稱入瞳，入瞳邊緣對物點A的張角稱為物方孔徑角2U當孔徑光闌前方無光學系統(tǒng)，則孔徑光闌就是

2、入瞳。孔徑光闌BAQ1Q2P1P2P2P1O1PPO2-UU主光線第4頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一孔徑光闌2、入射光瞳和出射光瞳 P1P2孔徑光闌經(jīng)后方光學系統(tǒng)所成的像 P1P2稱為出射光瞳，簡稱出瞳，出瞳邊緣對物點A的張角稱為像方孔徑角2U出射光瞳孔徑光闌入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU當孔徑光闌后方無光學系統(tǒng)，則孔徑光闌就是出瞳。第5頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一通過入瞳中心的光線稱為主光線，也通過孔徑光闌和出射光瞳中心,是各個物點發(fā)出的成像光束的光束軸線。 出射光瞳孔徑光闌入射光瞳BAQ1Q2P1P2P

3、2P1P1P2O1PPPO2-UU主光線第6頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一孔徑光闌3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 物平面發(fā)生變更，有可能是孔徑光闌將易主。第7頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一孔徑光闌3、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，用計算方法確定其位置和大小 。第二步，由物面中心A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。O2AO1O2PP1P2F1P1P2孔徑光闌的確定方法第8頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一孔徑光闌3、關于孔徑光闌需要注意的幾

4、個問題 若物體位于無限遠，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。 確定孔徑光闌的方法，也可以先確定出射光瞳。對稱于光闌的對稱式系統(tǒng)：入射光瞳和出射光瞳的大小和倒正都一樣，入瞳和出瞳之間的倍率為+1，入射光瞳面和出射光瞳面分別與光學系統(tǒng)的物方主平面和像方主平面重合。第9頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一孔徑光闌3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 入瞳的大小是由光學系統(tǒng)對成像光能的要求或者對物體細節(jié)的分辨能力(分辨率)的要求來確定的。常以入瞳直徑和焦距之比值來表示， 稱為相對孔徑，它是光學系統(tǒng)的一個重要的性能指標。第10頁，共72頁，2022年，5月20日，3

5、點57分，星期一孔徑光闌3、關于孔徑光闌需要注意的幾個問題 孔徑光闌的安放要遵循一定原則。對于目視光學系統(tǒng)，出瞳必須在目鏡外，便于與其銜接。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間的能量。第11頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一視場光闌 限制物平面或物空間范圍的光闌稱視場光闌。 Q1Q2是視場光闌。Q1Q2為入射窗;Q1Q2本身也為出射窗。通常設置在系統(tǒng)的實像平面或物平面出射光瞳孔徑光闌入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU視場光闌(出射窗)入射窗

6、Q1Q2第12頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一(2)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視場光闌.入射窗邊緣對入瞳中心的張角為物方視場角 ，同時也決定了視場邊緣點。視場光闌經(jīng)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方視場角 。視場光闌是對一定位置的孔徑光闌而言的。確定視場光闌的方法： (1)把孔徑光闌以外的所有光孔經(jīng)前面的光學系統(tǒng)成像到物空間，確定入瞳中心位置 (實際上在確定孔徑光闌時這一步驟已完成)。 第13頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一BABO2O1O2PPAP入射窗出射光瞳孔

7、徑光闌入射光瞳孔徑光闌為無限小時，物面范圍由入窗邊緣與入瞳中心連線決定。線視場:物方線視場為物高的兩倍，以2y表示。像方線視場為像高的兩倍，以2y表示。第14頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一減小孔徑光闌并不會對視場產(chǎn)生影響孔徑光闌的變化孔徑光闌BAP1P2O1PPPO2-UU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線的限制。第15頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一例：有一個由三個光學零件組成的光組，透鏡O1,其口徑D14mmf1=36mm，透鏡O2，其口徑 D212mm，f2=15mm,二透鏡間隔195mm，在離透鏡O1右180mm處設

8、有一光孔D310mm，物點離透鏡Ol為-45mm1）求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置?2)求視場光闌和入窗出窗的大小和位置？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第16頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一解：光孔D3經(jīng)O1成像在O1左方與物點重合AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第17頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm透鏡O2經(jīng)O1成像 第18頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一AO1

9、O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（1）求孔徑光闌、入瞳、出瞳U1最小，故物鏡框O1是入瞳，也是孔徑光闌。它經(jīng)O2的像為出瞳。 第19頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（2）求視場光闌、入窗、出窗 故光孔O3為視場光闌，入窗與物平面重合，大小為2.5mm，出窗在無窮遠 第20頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一作業(yè)O2O4AF1BO1O3F1F2ABF2如圖所示，有一光學透鏡組O1,O2的口徑D1=D2=50mm,焦距f1=f2=150,兩透鏡間

10、距為300mm,并在中間置以光孔O3,口徑D3=20mm,透鏡O2右側150mm出置一光孔O4,孔徑D4=40mm,平面物體處于透鏡O1左側150mm處。1）求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置？2）求視場光闌和入窗出窗的大小和位置？O4第21頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一照相系統(tǒng)組成照相系統(tǒng)中的光闌第22頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一f/1f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64第23頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一光闌位置對成像光束的影響第24頁，共72頁，202

11、2年，5月20日，3點57分，星期一光闌位置對成像光束的影響第25頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一光闌位置對成像光束的影響孔徑光闌位置移動，對軸上成像光束并無影響。第26頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一光闌位置對成像光束的影響第27頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一光闌位置對成像光束的影響第28頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一光闌位置對成像光束的影響第29頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一光闌位置對成像光束的影響孔徑光闌位置移動，對軸外成像光束有明顯影響。第30頁，共72頁，20

12、22年，5月20日，3點57分，星期一常見照相系統(tǒng)的光闌位置第31頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一漸暈光闌第32頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一漸暈光闌第33頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一漸暈光闌第34頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一漸暈光闌第35頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一漸暈光闌漸暈光闌第36頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一漸暈光闌 軸外物點充滿孔徑光闌的光束被部分地攔截，稱為“漸暈”。該光闌稱為“漸暈光闌”，漸暈光闌多為透鏡框。漸暈光闌的作

13、用是參與限制軸外點成像光束。第37頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一漸暈光闌“漸暈系數(shù)”：第38頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一望遠鏡系統(tǒng)的組成主要參數(shù)：視角放大率，視場角2，出瞳直徑D 出瞳距離lz,物鏡焦距f物,目鏡焦距f目照相系統(tǒng)中的光闌第39頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置簡化圖中，物鏡框為孔徑光闌；分劃板為視場光闌； 物鏡對目鏡成的像距即為出瞳距離lz6mm第40頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置實際系統(tǒng)中，物鏡框前后10mm左右放置孔徑光闌；分劃板為視

14、場光闌；孔徑光闌對目鏡成的像距即為出瞳距離lz6mm第41頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一簡單顯微系統(tǒng)中的光束限制照相系統(tǒng)中的光闌第42頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一遠心光路物方遠心光路像方遠心光路第43頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一物方遠心光路 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“恒定放大率” 使被測物之像與一刻尺相比，以求得一被測物之長度。第44頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一物方遠心光路 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“恒定放大率” 使被

15、測物之像與一刻尺相比，以求得一被測物之長度。工具顯微鏡按工具顯微鏡的工作臺的大小和可移動的距離、測量精度的高低以及測量范圍的寬窄，一般分為小型，大型和萬能型及重型。它們的測量精度和測量范圍不同，但基本結構、測量方法大致相同 第45頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一孔徑光闌為物鏡鏡框的情況第46頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一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中心位于物方無限遠，故稱為物方遠心光路。第47頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一測量顯微鏡物方遠心光路?？讖焦怅@第48頁，共7

16、2頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一像方遠心光路另一類光學儀器是把標尺放在不同的位置，通過改變光學系統(tǒng)的放大率而使標尺像等于一個已知值，以求得儀器到標尺之間的距離。經(jīng)緯儀第49頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一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，標尺的像不與分劃板刻線平面重合，使讀數(shù)產(chǎn)生誤差而影響測量精度。第50頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一像方遠心光路為消除或減小這種誤差，可以在物鏡的物方焦平面上設置一個孔徑光闌。 第51頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一 因為這種光學系統(tǒng)的像方主光線平行

17、于光軸，其會聚中心在像方無限遠處，故稱為像方遠心光路。第52頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一場鏡的應用在一些應用中，需要加長光學系統(tǒng)，以滿足出瞳的匹配要求。 一種方法是在系統(tǒng)中加入一個放大倍率為-1倍的成像透鏡。 第53頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一場鏡的應用第54頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一場鏡的應用在一些應用中，需要加長光學系統(tǒng)，以滿足出瞳的匹配要求。 一種方法是在系統(tǒng)中加入一個放大倍率為-1倍的成像透鏡。 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。 解決的方法：在物鏡的成像面位置放置

18、一個薄透鏡。第55頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一場鏡的應用第56頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一場鏡的應用加入薄透鏡不會改變原成像系統(tǒng)的特性。 加入薄透鏡也不會改變軸上點光束的行進走向。 這種與像面重合或緊靠像面的薄透鏡稱為場鏡。場鏡具有可以輔助延長光學系統(tǒng)長度且不增大后續(xù)透鏡的孔徑的功能！第57頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一 光學系統(tǒng)的景深 前面討論的只是在垂直于光軸的平面上點的成像問題，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，有很多儀器需要把空間中的物點成像在一個像面上，如望遠鏡和照相機等。這

19、就存在著空間物在平面上成像的清晰度問題。第58頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一 光學系統(tǒng)的空間像第59頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一 光學系統(tǒng)的空間像第60頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一 光學系統(tǒng)的空間像第61頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一 光學系統(tǒng)的空間像將物空間中的物點在同一個像平面上所成的像稱為空間像。第62頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一 當彌散斑直徑小于人眼的鑒別能力，實際像產(chǎn)生的模糊是無法辨認的，可視為清晰像。此時，這個彌散斑稱為容許彌散圓。光學系統(tǒng)的景深第63頁，共72頁，2022年，5月20日，3點57分，星期一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景深。P1pp2第6