光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制

光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制第一頁，共七十二頁，2022年，8月28日本章重點孔徑光闌、視場光闌的確定方法遠(yuǎn)心光路景深第二頁，共七十二頁，2022年，8月28日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-UU'A’B’1、孔徑光闌的定義與作用第三頁，共七十二頁，2022年，8月28日孔徑光闌2、入射光瞳和出射光瞳P1P2孔徑光闌經(jīng)前方光學(xué)系統(tǒng)所成的像P'1P'2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(dāng)孔徑光闌前方無光學(xué)系統(tǒng)，則孔徑光闌就是入瞳?？讖焦怅@BAQ1Q2P1P2P'2P'1O1PP'O2-UU'主光線第四頁，共七十二頁，2022年，8月28日孔徑光闌2、入射光瞳和出射光瞳P1P2孔徑光闌經(jīng)后方光學(xué)系統(tǒng)所成的像P‘1P’2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BAQ1Q2P1P2P'2P'1P''1P''2O1P''PP'O2-UU'當(dāng)孔徑光闌后方無光學(xué)系統(tǒng)，則孔徑光闌就是出瞳。第五頁，共七十二頁，2022年，8月28日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'2P'1P''1P''2O1P''PP'O2-UU'主光線第六頁，共七十二頁，2022年，8月28日孔徑光闌3、關(guān)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。第七頁，共七十二頁，2022年，8月28日孔徑光闌3、關(guān)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(yīng)的物為孔徑光闌。O'2AO1O2P'P'1P'2F'1P1P2孔徑光闌的確定方法第八頁，共七十二頁，2022年，8月28日孔徑光闌3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個問題

若物體位于無限遠(yuǎn)，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(xué)系統(tǒng)的物方主平面和像方主平面重合。第九頁，共七十二頁，2022年，8月28日孔徑光闌3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個問題

入瞳的大小是由光學(xué)系統(tǒng)對成像光能的要求或者對物體細(xì)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(xué)系統(tǒng)的一個重要的性能指標(biāo)。第十頁，共七十二頁，2022年，8月28日孔徑光闌3、關(guān)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(xué)系統(tǒng)，出瞳必須在目鏡外，便于與其銜接。在投影計量光學(xué)中，要求入瞳或出瞳位于無窮遠(yuǎn)。在光學(xué)設(shè)計時，可以合理設(shè)置孔徑光闌位置用以校正像差?？梢院侠碓O(shè)置孔徑光闌的大小來匹配光學(xué)鏡組之間的能量。第十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日視場光闌

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(shè)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’第十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日(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(yīng)的光學(xué)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(xué)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(xué)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)。

第十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日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。第十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日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BAP1P2O1P''PPO2-UU'主光線視場光闌在像方對光線的限制在本質(zhì)上是在物方對光線的限制。第十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日例：有一個由三個光學(xué)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(shè)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=12mm第十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日解：光孔D3經(jīng)O1成像在O1左方與物點重合AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm透鏡O2經(jīng)O1成像

第十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日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(jīng)O2的像為出瞳。

第十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日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(yuǎn)

第二十頁，共七十二頁，2022年，8月28日作業(yè)O2O'4AF1BO1O3F1F2A'B'F'2如圖所示，有一光學(xué)透鏡組O1,O2的口徑D1=D2=50mm,焦距f’1=f’2=150,兩透鏡間距為300mm,并在中間置以光孔O3,口徑D3=20mm,透鏡O2右側(cè)150mm出置一光孔O4,孔徑D4=40mm,平面物體處于透鏡O1左側(cè)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第二十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日照相系統(tǒng)組成照相系統(tǒng)中的光闌第二十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日f/1f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64第二十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第二十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第二十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日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。第二十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第二十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第二十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第二十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日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。第三十頁，共七十二頁，2022年，8月28日常見照相系統(tǒng)的光闌位置第三十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日漸暈光闌第三十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日漸暈光闌第三十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日漸暈光闌第三十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日漸暈光闌第三十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日漸暈光闌漸暈光闌第三十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日漸暈光闌

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。第三十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日漸暈光闌“漸暈系數(shù)”：第三十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的組成主要參數(shù)：視角放大率Γ，視場角2ω，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)中的光闌第三十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)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lz>6mm第四十頁，共七十二頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)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>6mm第四十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日簡單顯微系統(tǒng)中的光束限制照相系統(tǒng)中的光闌第四十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路像方遠(yuǎn)心光路第四十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日物方遠(yuǎn)心光路

光學(xué)儀器中的很大部分儀器用來測量長度。有一類光學(xué)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。第四十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日物方遠(yuǎn)心光路

光學(xué)儀器中的很大部分儀器用來測量長度。有一類光學(xué)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。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(jié)構(gòu)、測量方法大致相同第四十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日孔徑光闌為物鏡鏡框的情況第四十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日孔徑光闌移至物鏡鏡框后焦平面出的情況由于光學(xué)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(yuǎn)，故稱為物方遠(yuǎn)心光路。第四十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日測量顯微鏡物方遠(yuǎn)心光路?？讖焦怅@第四十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日像方遠(yuǎn)心光路另一類光學(xué)儀器是把標(biāo)尺放在不同的位置，通過改變光學(xué)系統(tǒng)的放大率而使標(biāo)尺像等于一個已知值，以求得儀器到標(biāo)尺之間的距離。經(jīng)緯儀第四十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日像方遠(yuǎn)心光路這種情況如果孔徑光闌仍為物鏡框，由于調(diào)焦不準(zhǔn)，標(biāo)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。第五十頁，共七十二頁，2022年，8月28日像方遠(yuǎn)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(shè)置一個孔徑光闌。

第五十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日

因為這種光學(xué)系統(tǒng)的像方主光線平行于光軸，其會聚中心在像方無限遠(yuǎn)處，故稱為像方遠(yuǎn)心光路。第五十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日場鏡的應(yīng)用在一些應(yīng)用中，需要加長光學(xué)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。

第五十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日場鏡的應(yīng)用第五十四頁，共七十二頁，2022年，8月28日場鏡的應(yīng)用在一些應(yīng)用中，需要加長光學(xué)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(dǎo)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一個薄透鏡。第五十五頁，共七十二頁，2022年，8月28日場鏡的應(yīng)用第五十六頁，共七十二頁，2022年，8月28日場鏡的應(yīng)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(jìn)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(xué)系統(tǒng)長度且不增大后續(xù)透鏡的孔徑的功能！第五十七頁，共七十二頁，2022年，8月28日

光學(xué)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(xué)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(yuǎn)鏡和照相機(jī)等。這就存在著空間物在平面上成像的清晰度問題。第五十八頁，共七十二頁，2022年，8月28日

光學(xué)系統(tǒng)的空間像第五十九頁，共七十二頁，2022年，8月28日

光學(xué)系統(tǒng)的空間像第六十頁，共七十二頁，2022年，8月28日

光學(xué)系統(tǒng)的空間像第六十一頁，共七十二頁，2022年，8月28日

光學(xué)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。第六十二頁，共七十二頁，2022年，8月28日

當(dāng)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(rèn)的，可視為清晰像。此時，這個彌散斑稱為容許彌散圓。光學(xué)系統(tǒng)的景深第六十三頁，共七十二頁，2022年，8月28日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(yīng)的物平面之間的距離就叫景深。P1pp2第六十四