工程光學第四章課件

第一節(jié)光闌第二節(jié)照相系統(tǒng)的光闌

第三節(jié)望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析第五節(jié)光學系統(tǒng)的景深

第四章光學系統(tǒng)中的光闌(Stops)第一節(jié)光闌1、孔徑光闌的定義和作用一、孔徑光闌(ApertureStops)

★含義1：限制軸上物點成像光束孔徑角大小的光闌。——限制成像光束和成像范圍★含義2：孔徑光闌的位置不同，但都起到了對軸上物點成像光束寬度的限制作用；只需相應的改變光闌大小，即可保證軸上物點成像光束的孔徑角不變。2、入射光瞳與出射光瞳(EntranceandExitpupils)★Pupils：

TheimageoftheApertureStops★入射光瞳：孔徑光闌經其前面光學系統(tǒng)所成的像（物空間）★出射光瞳：孔徑光闌經其后面光學系統(tǒng)所成的像（像空間）照相機鏡頭中的孔徑光闌孔徑光闌孔徑光闌物像關系后面光學系統(tǒng)入瞳出瞳孔徑光闌前面光學系統(tǒng)整個光學系統(tǒng)★孔徑光闌、入瞳與出瞳出瞳入瞳孔徑光闌1）入瞳：決定光學系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。2）出瞳：決定光學系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。3）孔徑光闌：實際起對光束限制作用的元件，決定了入瞳、出瞳；三者互為物像關系?！锍上駨埥潜容^法：

a.將光學系統(tǒng)所有光闌（各個透鏡和光圈等），對其前面的光學系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；b.由物位置（軸上點）向各像邊緣、第一個透鏡邊緣分別作連線，求張角最小值即為入瞳，相應的共軛物為孔徑光闌；c.孔徑光闌對后面光學系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。例1：已知物點A離透鏡1的距離為-l1=30mm，透鏡1的通光口徑D1=30mm,光孔2的直徑D2=22mm，像點A’離透鏡的距離l1′=60mm，透鏡與光孔之間距離為d=10mm，試確定這個系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。ABA'B'12解：判斷孔徑光闌：軸上物點的成像張角比較法1）透鏡1框內孔相對于前面光學系統(tǒng)的像與自身重合。2）光孔2相對于前面透鏡成像：2′ABA'B'123）D1，D2'對軸上物點A的張角：

D2′的張角最小，最能限制軸上物點A的成像光束，為入瞳，即光孔2為孔徑光闌，U2為物方孔徑角。光孔2后面無透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，U2′為像方孔徑角。2′★理想光學系統(tǒng)：主光線必然通過入瞳及出瞳的中心。4、主光線（Chiefray）：出瞳入瞳孔徑光闌★定義：離軸物點發(fā)出的、通過孔徑光闌中心的光線?！镏鞴饩€是通過孔徑光闌、并參與成像的物光束的中心光線。二、視場光闌(FieldStops)

1、視場光闌:★定義：在物/像面上安放的、限定光學系統(tǒng)成像范圍的光闌?！镂锓揭晥觯耗軌蚯逦上竦奈锩娣秶?；★像方視場：相應的能夠清晰成像的像面范圍；2、入射窗與出射窗★入射窗：視場光闌經其前面光學系統(tǒng)所成的像（物空間）★出射窗：視場光闌經其后面光學系統(tǒng)所成的像（像空間）3、視場光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關系。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。Q'1Q'2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BAQ1Q2P1P2P'2P'1P''1P''2O1P''PP'O2-UU'視場光闌(出射窗)入射窗Q1’Q2’B'ABO'2O1O2PP'A'ωP''ω'入射窗出射光瞳孔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。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BAP1P2O1P''PPO2-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。例：有一個由三個光學零件組成的光組，透鏡O1,其口徑D1＝4mm．f’1=36mm，透鏡O2，其口徑D2＝12mm，f’2=15mm,二透鏡間隔195mm，在離透鏡O1右180mm處設有一光孔D3＝10mm，物點離透鏡Ol為-45mm．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？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mmAO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm透鏡O2經O1成像

AO1O2D3180195F245D1=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O2的像為出瞳。

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

ω3ω2f/1f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64

★軸上物點：孔徑光闌在不同位置，對成像光束寬度的限制作用相同：都是光束的中間部分參與成像?！镙S外物點：孔徑光闌在不同位置，參與成像光束的空間位置不同，成像質量不同。——軸外光束決定孔徑光闌的位置假設：透鏡口徑足夠大M′N′MNA′A光闌位置對成像光束的影響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。光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響光闌位置對成像光束的影響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。1、漸暈現(xiàn)象：像平面的邊緣比中間暗（離軸物點）。二、漸暈光闌（Vignettingstop）

漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌漸暈光闌

軸外物點充滿孔徑光闌的光束被部分地攔截，稱為“漸暈”。該光闌稱為“漸暈光闌”，漸暈光闌多為透鏡框。漸暈光闌的作用是參與限制軸外點成像光束。漸暈光闌“漸暈系數(shù)”：

三、照相系統(tǒng)的光闌總結3、感光底片邊框，即視場光闌；1、根據(jù)軸外光束的像質選擇孔徑光闌位置；2、軸外點成像光束寬度取決于孔徑光闌、漸暈光闌均有關；4、孔徑光闌一般為圓形，視場光闌為圓形或者矩形。孔徑光闌在物鏡中的位置

第三節(jié)望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇

一、雙目望遠鏡的組成

1、構成轉像物鏡、目鏡的共同焦面上2、光學參數(shù)★視覺放大率：★視場角：★物鏡焦距：★目鏡焦距：★出瞳直徑：★出瞳距離：望遠鏡系統(tǒng)簡化圖與人眼聯(lián)用,滿足光瞳銜接原則★目視光學系統(tǒng)的視角放大率：遠處物體經系統(tǒng)所成的像對眼睛張角的正切，與該物體直接對眼睛張角的正切之比。*概念區(qū)別：角放大率復習：第二章3、分劃板——視場光闌分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：入射窗、出射窗均在無窮遠處，分別與物、像面重合。望遠鏡系統(tǒng)簡化圖出瞳入瞳hz物hz目hz分1）物鏡的左側10mm；2）物鏡上；3）物鏡右側10mm。2、孔徑光闌的位置：二、望遠鏡系統(tǒng)中的光束限制

1、光瞳銜接原則：

——前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合?！镒粉E主光線的投射高度望遠鏡系統(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；分劃板為視場光闌；孔徑光闌對目鏡成的像距即為出瞳距離lz>6mmhz物hz目hz分1）光闌在物鏡的左側10mm（ω=4.25°）：

正切計算法2）光闌在物鏡上：

正切計算法3）光闌在物鏡右側10mm：

正切計算法三、望遠鏡系統(tǒng)光束限制的總結1、兩光學系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應滿足光瞳銜接原則；2、目視光學系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于6mm；4、分劃板就是視場光闌。3、孔徑光闌大致在物鏡左右；

4、光闌位置對軸外光束位置的選擇(1)(1)(2)(3)(3)(2)

第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析

一、簡單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制

1、顯微鏡系統(tǒng)的構成二、遠心光路

1、孔徑光闌在物鏡上(a)測距原理：(b)調焦不準：2)由于調焦不精確，引起像平面和標尺平面不重合，從而導致測量誤差。1)入瞳與物鏡邊框重合；2、孔徑光闌在物鏡的像方焦平面上1)入瞳位于物方無窮遠。A和A1、B和B1的主光線分別重合，且軸外點的主光線平行于主軸。3)主光線是物點成像光束的中心軸，則物點A1B1在刻尺平面構成的兩個彌散斑的中心間隔始終不變?！?/p>

物方遠心光路

(a)測距原理：(b)調焦不準：三、場鏡的應用

缺點：出射主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的口徑必須非常大。

-1×透鏡轉像系統(tǒng)：加長光路。1、長光路顯微鏡系統(tǒng)

2、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法-1×轉像系統(tǒng)★場鏡：與像平面重合、或者很靠近像平面的透鏡。

★效果：主光線經場鏡后通過-1×轉像透鏡中心，從而對后面系統(tǒng)的口徑要求最小。場鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用?！飳嶋H設計：在-1×轉像透鏡前、物鏡的實像面處加場鏡。場鏡的應用四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；4、長光路顯微鏡系統(tǒng)：利用場鏡達到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，減小光學零件尺寸。2、一次實像面處安放視場光闌；3、測長顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上

——物方遠心光路第五節(jié)光學系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果一、光學系統(tǒng)的空間像1、平面上的空間像：空間點成像于一個像平面上。對準平面景像平面共軛以入瞳中心為投影中心，以各空間點的主光線為投影方向，向對準平面投影，對應投影點在景象平面上的共軛點即為空間點的平面像。★平面上的空間像的獲得：★對準平面外的空間點，在景象平面產生一個彌散斑。彌散斑的直徑與入瞳直徑、與景象平面的距離有關?；颍涸谙窨臻g以出瞳中心為投影中心，仍以各空間點的主光線為投影方向，各空間像點向景象平面投影，可得空間點的平面像。2、透視失真——

投影中心前后移動，所得投影像與景物不成比例。

3、景像畸變

二、光學系統(tǒng)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物空間深度。

遠景平面近景平面入瞳中心：物空間參數(shù)的起算原點出瞳中心：像空間參數(shù)的起算原點★對