《光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制.ppt（47頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、前一課小結(jié),透鏡,單透鏡：兩光組的組合,薄透鏡,,本課提綱,一、孔徑光闌1、孔徑光闌的定義、作用和判斷方法；2、入瞳、出瞳的定義、性質(zhì)和求解方法；二、視場光闌視場光闌的定義、判斷方法、視場大小的確定方法。三、漸暈光闌了解漸暈光闌的定義和判斷方法。四、景深五、幾何像差,第九章光學(xué)系統(tǒng)像差基礎(chǔ),光學(xué)系統(tǒng)除滿足物像共扼位置和成像放大率的要求外，還要有一定的成像范圍，以及為獲得一定的像面照度和反映物面細節(jié)的能力,在成像范圍內(nèi)各物點應(yīng)具有適當(dāng)?shù)墓馐趶?，這就是光束限制的問題。實際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)不同，其參與成像的光束寬度和成像范圍需要限制:(1)自然限制：光學(xué)元件的有限尺寸；(2)人為限制：金屬圈
2、(框)或成像底片。,第一節(jié)光學(xué)系統(tǒng)中的光闌及其作用,怎樣合理限制光束以滿足成像要求，解決橫向和縱向成像范圍，像面清晰度和亮度均勻性，像差，觀察效果等問題，是通過光學(xué)系統(tǒng)各零件一定的橫向尺寸來實現(xiàn)的，均與光闌有關(guān)，或者說，光束限制是通過“光闌”來實現(xiàn)的。,光闌光學(xué)系統(tǒng)中的通光孔，或：限制成像光束孔徑角的光學(xué)元件。,在光學(xué)系統(tǒng)中，用于限制成像光束口徑、或者限制成像范圍的光孔或框，都統(tǒng)稱為“光闌”。,作用：1.限制成像光束孔徑角大小；2.限制和選擇軸外點成象光束；3.控制光通量；4.擋掉雜散光,一、光闌分類,孔徑光闌和視場光闌是任何光學(xué)系統(tǒng)都有的兩種主要光闌。,二、孔徑光闌：,在光學(xué)系統(tǒng)具有的多個光
3、闌中，限制成像光束口徑大小的光闌（限制作用最大），也稱為“有效光闌”。,作用：限制和選擇成像光束，調(diào)節(jié)入射光能和像質(zhì)；,特點：總有且只有一個通光孔是孔徑光闌。影響：像面亮度，清晰度，景深，像差，觀察效果等。,孔徑光闌經(jīng)其前面的透鏡或透鏡組在物空間所成的像稱為入射光瞳，簡稱入瞳，它是入射光束的入口?？讖焦怅@經(jīng)其后面的透鏡或透鏡組在像空間所成的像稱為出射光瞳，簡稱出瞳，它是出射光束的出口。,入瞳、出瞳及其共軛關(guān)系,顯然，入射光瞳、孔徑光闌、出射光瞳三者是相互共軛的。對整個光學(xué)系統(tǒng)來說，出射光瞳也是入射光瞳的像，二者對整個光學(xué)系統(tǒng)是共扼的。若孔徑光闌的位置對整個光學(xué)系統(tǒng)而言，孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)的最
4、前端，則孔徑光闌就是入瞳；若孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)的最后端，則孔徑光闌就是出瞳。,入瞳:它決定了光學(xué)系統(tǒng)物方的成像光束的孔經(jīng)角,可看成成像光束的公共的入口。出瞳:它決定了光學(xué)系統(tǒng)像方的孔徑角，可看成成像光束的公共出口。,在實際光學(xué)系統(tǒng)中，孔徑光闌的位置和大小，亦即入射光瞳或出射光瞳的位置和大小是十分重要的參量?？讖焦怅@的大小是由光學(xué)系統(tǒng)對成像光能量的要求和對物體細節(jié)的分辨能力的要求而決定。孔徑光闌的位置則直接影響光學(xué)系統(tǒng)成像的清晰度和光學(xué)系統(tǒng)中各零件的尺寸。,孔徑光闌對入射光束有很直接的選擇作用，對于軸上物點和軸外物點，其限制或選擇作用不同。,孔徑光闌的位置在有些光學(xué)系統(tǒng)中有特定的要求，如目視光
5、學(xué)系統(tǒng)，出射光瞳一定要在系統(tǒng)外，以便與眼瞳重合，達到良好的觀察效果。如無特殊要求，光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌位置的合理選擇可以對光學(xué)零件口徑提出合理的要求。,孔徑光闌位置對光學(xué)零件口徑的影響,光學(xué)系統(tǒng)中孔徑光闌位置的合理選擇也可以改善軸外點成像光束的質(zhì)量：,(a),(b),孔徑光闌對軸外點光束的限制：,孔徑光闌對軸上點光束的限制：,,光學(xué)系統(tǒng)能夠清晰成像的范圍也是有限的，能清晰成像的范圍在光學(xué)系統(tǒng)中稱為視場，視場的大小也有相對應(yīng)的光闌來加以限定，這種光闌稱視場光闌。,三、視場光闌,特點：可能有，可能沒有；若有，則只有一個。一般設(shè)在實像平面上。其形狀根據(jù)系統(tǒng)的要求為圓形(如顯微，望遠等系統(tǒng))或方形、矩形
6、(如照相系統(tǒng))等形狀。,注：通過入瞳中心的光線稱為主光線，它也同時通過孔經(jīng)光闌和出射光瞳中心。對理想光學(xué)系統(tǒng)而言，主光線（或主光線的延長線）必通過入瞳、孔徑光闌和出瞳的中心。,視場光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)成的像稱入射窗，簡稱入窗；視場光闌經(jīng)它后面光學(xué)系統(tǒng)成的像稱出射窗，簡稱出窗入射窗和出射窗對整個光學(xué)系統(tǒng)是共扼的。,實際光學(xué)系統(tǒng)中，孔徑光闌和視場光闌是同時存在的，由入瞳中心至入射窗直徑邊緣所引連線的夾角，或者說，過入射窗邊緣兩點的主光線間的夾角稱為物方視場角，用2w表示;同樣，由出瞳中心至出射窗直徑邊緣所引連線的夾角，也就是過出射窗邊緣兩點的主光線間的夾角稱為像方視場角，用2w表示,,當(dāng)物體在無限
7、遠時，習(xí)慣用前面定義的視場角2w或2w表示角視場當(dāng)物體在有限距離時，習(xí)慣用入瞳(或出瞳)中心與入窗(或出窗)邊緣連線和物面交點之間的線距離來表示視場，稱線視場2y(或2y)無論是用角視場還是線視場來表示成像范圍，其成像范圍的大小均由入射窗或出射窗的大小決定。,**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，以改善軸外物點成像質(zhì)量及減小儀器的徑向尺寸。,導(dǎo)致像面亮度漸暈(即漸弱)的光闌，或：限制軸外點成像光束寬度的光闌。,特點：可能有，可能沒有；若有，則可能有多個。,漸暈：由于實際透鏡的有限口徑尺寸，軸外點光束較之軸上點光束寬度小很多，導(dǎo)致像平面邊緣部分成像比中心部分暗
8、的現(xiàn)象。,**消雜光光闌：儀器中能遮擋和吸收雜散光的元件,雜光最后進入成像面，將使像面疊加一明亮背景，使像的襯度降低。為此需要利用消雜光光闌盡量把雜光攔掉，起著改善像質(zhì)的作用。在一般光學(xué)系統(tǒng)中，常常采用把鏡管內(nèi)壁加工成內(nèi)螺紋并使其發(fā)黑等措施消雜光；對某些鏡筒很長的重要光學(xué)系統(tǒng)(如天文望遠鏡，長焦距平行光管等)，需要專門設(shè)計消雜光光闌。,這種光闌不限制通過光學(xué)系統(tǒng)的成像光束，只限制那些非成像物體射來的光、光學(xué)系統(tǒng)各折射面反射的光和儀器殼體內(nèi)壁反射的光。這些光稱為雜光。,復(fù)習(xí)、小結(jié),**光學(xué)系統(tǒng)中成像光束的選擇,透鏡是光學(xué)系統(tǒng)的基本組成部分，再加上為了光路轉(zhuǎn)折和轉(zhuǎn)像而加入的反射棱鏡等光學(xué)零件，光學(xué)
9、系統(tǒng)中限制光束的情況比較復(fù)雜。如何選擇成像光束的問題，直接影響到各個光學(xué)零件尺寸和整個儀器的大小。在設(shè)計時必須很好地考慮。,,,,,,,？,,假設(shè)物空間有三個光孔,a,b,c,A(),B,C,確定孔徑光闌一定要根據(jù)軸上點位置來確定,一個光學(xué)系統(tǒng)有若干個透光孔，何為孔徑光闌？限制軸上點成像光束孔徑角的光孔。常見錯誤：1、光孔小的為孔闌；2、第一個光孔為孔闌。,當(dāng)系統(tǒng)各光學(xué)零件的位置和大小已知后，哪一個是孔徑光闌或視場光闌呢?,怎樣找？,,,,,,,,,,,,A,A,確定孔徑光闌的方法：,,R2,,1、將所有光孔，成像到整個系統(tǒng)的物方空間。,2、找出對物點張角最小的像孔，該像孔所對應(yīng)的物孔，即為孔
10、徑光闌。,,在實際光學(xué)系統(tǒng)中尋求孔徑光闌的方法步驟可歸納如下：首先將系統(tǒng)中所有光學(xué)元件邊框和開孔屏的內(nèi)孔，經(jīng)其前方的系統(tǒng)成像到整個系統(tǒng)的物空間；然后比較這些像的邊緣對軸上物點張角的大小，其中張角最小者，即為入射光瞳；與入瞳共軛的實際光闌即為孔徑光闌。特殊情況，如果物體或像在無限遠，則入射光瞳或出射光瞳就是光闌在物空間或像空間具有最小直徑的像；進入系統(tǒng)或出自系統(tǒng)的光束即由此兩光瞳的直徑確定。,在確定了孔徑光闌后，眾多光闌中尋求確定視場光闌的方法如下：首先將儀器中的所有光闌(包括透鏡邊框)經(jīng)其前方(或后方)系統(tǒng)成像在整個系統(tǒng)的物空間(或像空間)，然后，從系統(tǒng)的入瞳(或出瞳)中心分別向物空間(或像空
11、間)所有的光闌像的邊緣作連線其中張角最小的光闌像為入射窗(或出射窗)，與其共軛的實際光闌即為視場光闌,Page431例9-1作業(yè)：Page4331，2，4,四、光學(xué)系統(tǒng)的景深,光學(xué)系統(tǒng)一般要求物方空間沿軸向有一定清晰范圍?？赡軉?？,理論上，只有共軛的物平面才能在像平面上成清晰像，其它物點所成的像均為彌散斑。但當(dāng)此斑對眼睛的張角小于眼睛的最小分辨角1時，人眼看起來仍為清晰一點。此時，該彌散斑可認為是空間點在平面上的清晰像點。,景深:在景像平面上能獲得清晰成像的空間深度稱為成像空間的深度。即當(dāng)入射光瞳一定時，在此空間深度內(nèi)景物對一定分辨率的接收器可得清晰像。,如圖，當(dāng)Z1和Z2小到可以看成一點時,
12、則從B1到B2的空間深度范圍內(nèi)的物，均能在像平面上得到清晰像。這個軸向空間深度叫景深。,遠景平面:能成清晰像得最遠平面;近景平面:能成清晰像的最近平面;遠景深度:遠景平面到對準(zhǔn)平面的距離;近景深度:近景平面到對準(zhǔn)平面的距離;景深:遠景深度與近景深度之和.,對準(zhǔn)平面,遠景平面,近景平面,景像平面,遠景深,近景深,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2,入瞳,出瞳,A,B1,B2,B1,B2,A,Z1,Z2,Z1,Z2,,,,,,1,,,,,,,,,,,,,,,p,p,p1,p2,p2,p1,2a,,,第三節(jié)像差基本概念,實際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)有很大的差異，即物空間的一個物
13、點發(fā)出的光線經(jīng)實際光學(xué)系統(tǒng)后，不再會聚于像空間的一點，而是一個彌散斑，彌散斑的大小與系統(tǒng)的像差有關(guān)。主要介紹實際光學(xué)系統(tǒng)的單色像差和色差的基本概念。,像差：實際像與理想像之間的差異稱為像差,理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系：一個物點的理想像仍然是一個點、從物點發(fā)出的所有光線通過光學(xué)系統(tǒng)后都會聚于一點。,實際光學(xué)系統(tǒng)：需要一定的相對孔徑和視場，這兩個因素與系統(tǒng)的功能和使用價值緊密相連。因此，實際的光路計算，遠遠超過近軸區(qū)域所限制的范圍，物像的大小和位置與近軸光學(xué)系統(tǒng)計算的結(jié)果不同。,七種幾何像差,單色光成像會產(chǎn)生性質(zhì)不同的五種像差，即球差、慧差(正弦差)、像散、場曲和畸變，統(tǒng)稱為單色像差。,白光進入光學(xué)系
14、統(tǒng)后，由于折射率不同而有不同的光程，這樣就導(dǎo)致了不同色光成像的大小和位置也不相同，這種不同色光的成像差異稱為色差。色差有兩種，即位置色差和倍率色差。,波動光學(xué)理論，實際的光學(xué)系統(tǒng)由于像差的存在，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成的波面已不是球面，這種實際波面與理想球面的偏差稱為波像差，簡稱波差。,一、球差,軸上點發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，不再是同心光束，不同入射高度的光線交光軸于不同位置，相對近軸像點(理想像點)有不同程度的偏離，這種偏離稱為軸向球差，簡稱球差。,由于球差的存在，在高斯像面上的像點已不是一個點，而是一個圓形的彌散斑，彌散斑的半徑大小，稱作垂軸球差。,球差的存在引起成像的模糊,球差的校正:共軸球面
15、系統(tǒng)：單透鏡不能校球差，需正負透鏡組合；減小光闌直徑。,二、慧差（正弦差）,正弦差與慧差沒有本質(zhì)區(qū)別，二者均表示軸外物點寬光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后失對稱的情況，區(qū)別在于正弦差僅適用于具有小視場的光學(xué)系統(tǒng)，而慧差可用于任何視場的光學(xué)系統(tǒng)。,具有慧差的光學(xué)系統(tǒng)，軸外物點在理想像面上形成的像點如同慧星狀的光斑，靠近主光線的細光束交于主光線形成一亮點，而遠離主光線的不同孔徑的光線束形成的像點是遠離主光線的不同圓環(huán)，故這種成像缺陷稱為慧差。,正弦差越大，說明小視場大孔徑光線失對稱現(xiàn)象越嚴(yán)重。故視場很小時就要考慮彗差。,減小彗差：彗差和透鏡的形狀、物點的位置、光闌的大小和位置有關(guān)：物點及光闌的位置（同心原則）
16、：如光闌過單折射面的球心時不產(chǎn)生彗差。減小光闌直徑,三、像散,如果物點離軸較遠，入射光束的傾斜較大，即使它發(fā)出的是細光束，經(jīng)過系統(tǒng)后不能交于一點，而是變成像散光束，稱為像散。,像散光束：與非球面波面元對應(yīng)的細光束稱為像散光束，其特征是諸光線彼此不平行又不相交于一點，而是會聚成兩條相互垂直的短線。,當(dāng)存在像散時，不同的像面位置會得到不同形狀的物點像。圖中示出當(dāng)系統(tǒng)具有像散時不同像面位置物點的成像情況。,四、場曲,垂直于光軸的一個平面物體，只有在旁軸區(qū)域內(nèi)，才近似地成像于一個平面。對于較大的物平面，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)所成的清晰像面不是平面而是一個拋物面，稱為像場彎曲，簡稱場曲。,場曲和像散是兩個不同的概
17、念，雖然像散必然引起像面彎曲；但像散為0時，像面并不是平的，而是相切與高斯像面中心的二次拋物面。,五、畸變,,當(dāng)物體發(fā)出的光線和光軸成很大角度時，即使是很窄的光束，像和物不能保持幾何相似，這稱為畸變。,畸變是垂軸像差，只改變軸外物點在理想像面上的成像位置，使像的形狀產(chǎn)生失真，但不影響像的清晰度。,由于畸變的存在，物方的一條直線在像方就變成了一條曲線，造成像的失真?；兛煞譃檎硇突兒屯靶突儍煞N。造成畸變的原因是鏡頭像場中央?yún)^(qū)的垂軸放大率與邊緣區(qū)的垂軸放大率不一致。,如果邊緣放大率大于中央放大率就產(chǎn)生枕型畸變，反之，則產(chǎn)生桶型畸變。,桶型畸變,枕型畸變,如果一個光組未經(jīng)任何校正，一般地說上述五
18、種單色像差將同時出現(xiàn)。但在一定條件下，也可能只有一種或幾種像差特別顯著。例如物點在主光軸上時，其它像差都不出現(xiàn)，只有球差單獨出現(xiàn)。光束愈寬，球差愈顯著；近軸物點，除球差外，彗差將顯著，哪怕光束不太寬，彗差也比球差顯著；遠軸物點，在細光束條件下，像散將顯著，球差與彗差都不顯著；至于場曲和畸變，僅在物面較大時才比較顯著。,六、色差,光學(xué)材料對不同波長的色光有不同的折射率，一般情況下，波長越短，折射率越大。同一孔徑不同色光的光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后與光軸有不同的交點。不同孔徑不同色光的光線與光軸的交點也不相同。在任何像面位置，物點的像是一個彩色的彌散斑。各種色光之間成像位置和成像大小的差異稱為色差。,色差分
19、為位置色差和倍率色差兩種。前者是由于不同波長的光線會聚點不同而產(chǎn)生彩色彌散現(xiàn)象，后者是由于鏡頭對不同波長的光的放大率不同而引起的。,1、位置色差軸上點兩種色光成像位置的差異稱為位置色差，也叫軸向色差。,色差在近軸區(qū)也存在，所以它比球差更嚴(yán)重地影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。同球差，不同的孔徑有不同的位置色差。校正色差一般通過選擇透鏡材料，正負透鏡組合。,因系統(tǒng)的焦距或像距是曲率半徑r、間距d和折射率n的函數(shù)，而同一介質(zhì)對不同的色光有不同的折射率。對軸外物點，不同色光的垂軸放大率也不相等。這種差異稱為倍率色差或垂軸色差。,2、倍率色差,大視場尤為嚴(yán)重，必須校正,校正方法：選擇光闌位置，全對稱系統(tǒng)，組合透
20、鏡,能使兩種不同顏色光有相同的成像位置的光學(xué)系統(tǒng)，稱為消色差系統(tǒng)；倍率色差和位置色差同時得到校正的光學(xué)系統(tǒng)，稱為穩(wěn)定消色差系統(tǒng)；對某三種顏色的光校正色差的光學(xué)系統(tǒng)稱為復(fù)消色差系統(tǒng)；對四種顏色的光校正色差的光學(xué)系統(tǒng)稱為超消色差系統(tǒng)。不過后兩種系統(tǒng)，只在極特殊情況下才采用。,除平面反射鏡成像之外，沒有像差的光學(xué)系統(tǒng)是不存在的。實踐表明，完全消除像差也是不可能的，且也是沒有必要的，因為所有的光能探測器，包括人眼都具有像差，或者說具有一定缺陷。光學(xué)設(shè)計中總是根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的作用和接收器的特性把影響像質(zhì)的主要像差校正到某公差范圍內(nèi)，使接收器不能察覺，即可認為像質(zhì)是令人滿意的。,總結(jié)：,一般來說，七種像差中，球差、位置色差為軸上點像差，其余為軸外點像差；球差、彗差、位置色差屬于寬光束像差，像散、場曲、畸變、倍率色差屬細光束像差。寬光束像差隨孔徑增大而迅速增大，是大孔徑系統(tǒng)（如顯微物鏡、望遠物鏡等）必須校正的；細光束像差隨視場的增大而快速增大，是大視場系統(tǒng)（如目鏡等）必須校正的；對于孔徑和視場都較大的系統(tǒng)，如照相物鏡，七種像差都應(yīng)進行校正。,從像差的度量方法來看，彗差、畸變和倍率色差是在垂軸方向量度，屬垂軸像差，球差、像散、場曲和位置色差在沿軸方向量度，屬軸向像差。凡軸外像差都與光闌位置有關(guān)，選擇合適的光闌位置可改善軸外點成像質(zhì)量，如對于單薄透鏡，當(dāng)光闌與之重合時，畸變和倍率色差為零。,
光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制.ppt
