工程光學(xué)第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制.ppt

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1、第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制,4.1 光闌 4.2 照相系統(tǒng)中的光闌 4.3 望遠鏡系統(tǒng)中成像光束限制 4.4 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析 4.5 光學(xué)系統(tǒng)的景深,第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制,組成光學(xué)系統(tǒng)的所有零件都有一定的尺寸大小,實際的光學(xué)系統(tǒng)除了應(yīng)滿足前述的物象共軛位置關(guān)系和成像放大率的要求外，還要有一定的成像范圍,沒有對光學(xué)零件的大小加以限制,通常光學(xué)系統(tǒng)中用一些中心開孔的薄金屬片來合理地限制成像光束的寬度、位置和成像范圍。這些限制成像光束和成像范圍的薄金屬片稱為光闌。 如果光學(xué)系統(tǒng)中安放光闌的位置與光學(xué)元件的某一面重合，則光學(xué)系統(tǒng)的邊框就是光闌,4-1 光闌,光闌在光

2、學(xué)系統(tǒng)中的作用：,決定像面的照度。,決定系統(tǒng)的視場。,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,攔截系統(tǒng)中有害的雜散光。,光闌分為：,孔徑光闌 視場光闌 消雜光光闌 漸暈光闌,一、孔徑光闌(Aperture Stops),孔徑光闌：它是限制軸上物點成像光束立體角（錐角）的光闌。 也就是起到?jīng)Q定能通過光學(xué)系統(tǒng)的光（即像平面照度）作用的光闌。,,, 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(yīng)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。,,,,含義3：孔徑光闌的位置不同，則對應(yīng)于選擇軸外物點發(fā)出光束的不同部分參與成像。, 孔徑光闌的定義

3、： 1）限制軸上物點成像光束孔徑角的大?。▽挾龋?2）選擇軸外物點成像光束的位置。,2、入射光瞳與出射光瞳(Entrance and Exit pupils), Pupils： The image of the Aperture Stops,入射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間） 出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)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(guān)系, 孔徑光闌、入瞳與出瞳,,,,,,,,出瞳,入瞳,孔徑 光闌,1）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。,2）出瞳：決定光學(xué)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

4、定了 入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。,3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個問題,(1) 軸上物點的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會變化。,,,,(2)幾個口徑一定的透鏡組合，判斷確定的軸上物點位置的孔徑光闌： 追跡光線法：過軸上物點的任一條近軸光線，求其在每個折射面的投射高度與實際口徑的比值，比值最大的折射面的邊框為透鏡組的孔徑光闌。, 成像張角比較法：,,,,,,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。,,,,,,,A,B,

5、A,B,1,2,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(nèi)孔相對于前面光學(xué)系統(tǒng)的像與自身重合。,2）光孔2相對于前面透鏡成像：,,,,,,,A,B,A,B,1,2,3）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,,(3) 孔徑光闌位置的安放原則： a. 目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接（光瞳銜接原則）； b. 投影計量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化,要求系統(tǒng)的出瞳或入瞳位于無限遠處； c. 對軸外光束像差校正； d.

6、 各光學(xué)元件的口徑匹配。, 理想光學(xué)系統(tǒng)：主光線必然通過入瞳及出瞳的中心。,4、主光線（Chief ray）：,定義：離軸物點發(fā)出的、通過孔徑光闌中心的光線。, 主光線是通過孔徑光闌、并參與成像的物光束的中心光線。,入瞳中心是所有主光線的交點。,二、視場光闌 (Field Stops),1、視場光闌:,接收面或中間實像面上的分劃板。,攝影系統(tǒng)：像面的大小決定視場角2W的大小,望遠鏡：中間實像面上分劃板的大小決定視場角2W的大小,3、視場光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。,第二節(jié) 照相系統(tǒng)中的光闌,一、照相機的三個組成部分,,鏡頭、可變光闌（孔徑光闌）、感光底片（視場光闌）,光圈英文名稱為A

7、perture，用來控制透過鏡頭進入機身內(nèi)感光面的光量，是相機一個極其重要的指標參數(shù)，通常在鏡頭內(nèi)。它的大小決定著通過鏡頭進入感光元件的光線的多少。表達光圈大小用F值，其中，F(xiàn)=鏡頭的焦距/鏡頭的有效口徑的直徑。,光圈 F 值越小，通光孔徑越大，在同一單位時間內(nèi)的進光量便越多，而且上一級的進光量剛好是下一級的兩倍，例如光圈從F8調(diào)整到5.6 ，進光量便多一倍，我們也說光圈開大了一級。對于消費型數(shù)碼相機而言，光圈 F 值常常介于 f2.8 - f11。,曝光:相機的感光元件在有限的時間（快門速度時間）內(nèi)接受光，并成像，這個過程叫做曝光。感光元件，膠片時代是指的膠片，數(shù)碼時代指的是感光元件CCD或

8、CMOS。,曝光過度:指由于光圈開得過大、底片的感光度太高或曝光時間過長所造成的影像失常。,光圈優(yōu)先:指由機器自動測光系統(tǒng)計算出曝光量的值，然后根據(jù)你選定的光圈大小自動決定用多少的快門。手動設(shè)置光圈值，由測光結(jié)果自動調(diào)整快門速度。,使用光圈優(yōu)先模式的目的是，使用者可以自己控制景深。在風(fēng)景攝影中，當(dāng)使用者希望近處和遠處的畫質(zhì)都要清晰，而快門速度并不重要的時候，需要設(shè)定一個較小的光圈值。在人物攝影中，相機使用者更希望一個較大的光圈值，使得人物的背景失焦，用以強調(diào)人物主題而淡化背景。 使用光圈優(yōu)先的另一個目的是讓相機選擇快門速度，以防止不恰當(dāng)?shù)钠毓鈺r間。在風(fēng)景攝影中，使用者當(dāng)為瀑布拍照時，會選用較大

9、的光圈值，也就是較小的光圈配合較長快門時間，使得瀑布的水滴變得模糊。但當(dāng)在較暗的燈光下攝影時，一個較小的光圈值，也就是獲得更大的光圈，使更多的光線進入鏡頭。,設(shè)置方法:,速度控制:在同一環(huán)境下，光圈和快門是相輔相成的，光圈越大，進入的光線就越多，所需的快門時間就越短，反之，光圈越小，快門速度就越慢，因而可以通過光圈來調(diào)節(jié)快門。,與快門優(yōu)先區(qū)別:快門優(yōu)先用于你對快門有要求的時候，如你拍攝高速運動的物體，快門必須要快一些，所以你控制快門，由相機控制光圈。需要注意的是，光圈的可調(diào)范圍小于快門，所以用快門優(yōu)先時，如果你把快門調(diào)得太快或太慢，相機是沒有辦法正確曝光的。,,軸上物點：孔徑光闌在不同 位置，

10、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。,軸外物點：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(zhì)量不同。,軸外光束決定 孔徑光闌的位置,假設(shè)：透鏡口徑足夠大,軸外物點發(fā)出并充滿入瞳的光束不一定能全部通過系統(tǒng)，還可能受到遠離孔闌的光孔的阻攔，這就是攔光。請觀察，當(dāng)視場逐漸增大時，軸外點發(fā)出充滿孔闌的光束被前后兩個透鏡所攔，其中上光線被第2個透鏡攔，下光線被第1個透鏡攔。軸外點的實際成像光束孔徑要比軸上點小。,二、漸暈光闌 （Vignetting stop）,1、漸暈現(xiàn)象：像平面的邊緣比中間暗（離軸物點）。,,,一個系統(tǒng)可以有0到2個漸暈光闌。,B1的成像

11、光束不被攔，B2的成像光束主光線以下被攔，B3發(fā)出的光線只有一條通過，B3以下不能成像。,2、漸暈系數(shù):,用漸暈系數(shù)表示漸暈嚴重的程度,想一想：是否所有光學(xué)系統(tǒng)都要無漸暈？ 漸暈光闌是否只有一個？,關(guān)于問題：當(dāng)孔徑和視場都較大時，無漸暈既無必要也不可能。因為遠離孔闌的透鏡直徑不能做得太大，且適當(dāng)攔掉偏離理想成像狀態(tài)較遠的即像差較大的軸外光束有利于改善像質(zhì)。 關(guān)于問題：單向攔光相當(dāng)于孔闌位于光學(xué)系統(tǒng)之外。但孔闌在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部時，可能有兩個漸暈光闌，一個攔上光線，另一個攔下光線。特別是全對稱系統(tǒng)，必有兩個漸暈光闌。,,,,三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié),孔徑光闌在物鏡中的位置,望遠鏡系統(tǒng)是以平行光入射，

12、再以平行光出射的系統(tǒng),第三節(jié) 望遠鏡系統(tǒng),望遠鏡系統(tǒng)作為一個光組的構(gòu)成,最簡單的望遠鏡系統(tǒng)至少有兩個獨立光組，第一光組的像方焦點與第二光組的物方焦點重合,各放大率的關(guān)系保持不變,,,望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇,,1、構(gòu)成,2、光學(xué)參數(shù),,目視光學(xué)系統(tǒng)的視角放大率： 遠處物體經(jīng)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,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。,,,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。, 追跡主光線 的投射高度,1

13、）光闌在物鏡的左側(cè)10mm：,,,2）光闌在物鏡上：,,,,3）光闌在物鏡右側(cè)10mm：,三、望遠鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié),1、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則；,2、目視光學(xué)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,,,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(gòu)成,,物方遠心光路和像方遠心光路 在光學(xué)儀器中，很大一部分儀器用來測量長度 一類儀器是光學(xué)系統(tǒng)有一定放大率，使被測物的像和標準刻尺相比，求被測物體的長度，如工具顯微鏡等計量儀器。 另一類儀器是

14、把一標尺放在不同的位置，光學(xué)系統(tǒng)改變放大率，使標尺的像等于一個已知值，來求儀器到標尺間距離，如大地測量儀器中的視距測量。,二、遠心光路,在工具顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的實像平面上，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在很大程度上取決于像平面與刻尺平面的重合程度。,1、孔徑光闌在物鏡上,(a) 測距原理：,(b) 調(diào)焦不準：,2) 由于調(diào)焦不精確，引 起像平面和標尺平面 不重合，從而導(dǎo)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,

15、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A1 B1在刻尺平面構(gòu)成的兩個彌散斑的中心間隔始終不變。, 物方遠心光路,,,(a) 測距原理：,(b) 調(diào)焦不準：,,三、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié),1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；,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(xué)系統(tǒng)的景深,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

16、一點。此時，該彌散斑可認為是空間點在平面上的像。,想一想：為什么看許多照片時感覺遠近都清楚？,同一位置不同景深的效果,一、光學(xué)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,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(xué)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。,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,,對準平面的彌散斑直徑：,景像平面的彌散斑直徑：,由相似三角形得：,兩個因素：觀測距離、極限分辨角,遠景、近景到對準平面的距離：,,遠景、近景到入

17、瞳的距離：,,,可見，焦距短景深大，對準平面遠景深大，入瞳直徑小則景深大，且遠景深大于近景深。,想一想：是否對準平面越遠景深越大？ 以上公式是否各種系統(tǒng)都適用？ 攝影時怎樣控制景深？,關(guān)于問題 設(shè)焦距50mm，入瞳直徑12.5mm，要求彌散斑Z<=0.05,關(guān)于問題 僅前兩組公式是普適的，后面的公式 僅適用于攝影系統(tǒng)。,例：照相機的原理圖,孔徑光闌光圈,不同光圈的效果,,（一）長景深的照片,,要拍攝大景深的照片，如遠景鏡頭，應(yīng)選擇短焦距、小的相對孔徑即大的光圈數(shù)，對準距離遠。,,,,,,（二）短景深照片,要拍攝小景深的照片，如特定鏡頭，應(yīng)選擇長焦距、大的相對孔徑即小的光

18、圈數(shù)，對準距離近。,,,,,,,74,第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制,1.什么是孔徑光闌(作用)、入瞳、出瞳、孔徑角？它們的關(guān)系如何？ 2.什么是視場光闌(作用)、入窗、出窗、視場角？它們的關(guān)系如何？ 3.什么是漸暈、漸暈光闌、漸暈系數(shù)？漸暈光闌和視場光闌的關(guān)系如何？ 4.系統(tǒng)中光闌的判斷方法如何？,5.照相系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)怎樣？成像關(guān)系和光束限制情況? 6.望遠系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)怎樣？成像關(guān)系和光束限制情況? 7.顯微系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)怎樣？成像關(guān)系和光束限制情況? 物方遠心光路原理. 8.光瞳銜接原則是什么?為什么要遵守該原則? 9.場鏡的定義、作用、成像關(guān)系如何？ 10.什么是景深、遠景景深、近景景深？景深公式和影響因素？,,