光學(xué)系統(tǒng)中的光闌.ppt

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1、第 五 章 光 學(xué) 系 統(tǒng) 中 的 光 闌,光闌的基本概念 確定孔徑光闌和視場(chǎng)光闌的方法 漸暈 光學(xué)系統(tǒng)的景深 消雜光光闌,主要應(yīng)用：實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)不是理想光學(xué)系統(tǒng)，必須限制成像 的光束寬度和成像范圍，以保證成像質(zhì)量。,應(yīng) 用 光 學(xué),,一、基本概念,1、光闌：限制成像光束的光孔或限制成像范圍的光控或框。稱“光闌”，光闌可以是圓形，長(zhǎng)方形或正方形的，取決于用途。光闌中心一般與系統(tǒng)的光軸重合，光闌平面與光軸垂直。 2、孔徑光闌：也稱有效光闌；限制進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的成像光束的光孔口徑的光闌。決定了軸上點(diǎn)發(fā)出的平面光束的孔徑角。,1）孔徑光闌處于什么位置，就限制軸上點(diǎn)的光束寬度而言，成像并沒有區(qū)別

2、。 2）孔徑光闌處于什么位置，對(duì)軸外點(diǎn)的光束寬度而言，對(duì)成像產(chǎn)生較大影響。,3、視場(chǎng)光闌：限制成像范圍的光闌稱為視場(chǎng)光闌。 4、漸暈光闌：軸外點(diǎn)光束被攔截的現(xiàn)象稱“漸暈”，產(chǎn)生漸暈的光闌稱為“漸暈光闌”。 5、消雜光光闌：用來攔掉光學(xué)系統(tǒng)中非成像或因折射面反射產(chǎn)生的雜光光闌稱“消雜光光闌?！?一、孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳,1、孔徑光闌： 如圖所示，,光孔Q1QQ2限制著光束大小，決定著孔徑角的大小。將此光孔通過其前面的透鏡成像到物空間去P1PP2決定了光學(xué)系統(tǒng)的物方孔徑角U.則P1PP2稱為入射光瞳，簡(jiǎn)稱“入瞳”。光孔Q1QQ2通過其后面的透鏡在像空間所成的像P1 PP2 決定了系統(tǒng)像方孔

3、徑角U，稱為出射光瞳，簡(jiǎn)稱“出瞳”。光孔Q1QQ2即為孔徑光闌。,1）入射光瞳通過整個(gè)系統(tǒng)所成的像就是出射光瞳，二者對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)是共軛的。如果光闌在整個(gè)系統(tǒng)的像空間，那它本身就是出射光瞳，反之，在物空間，它就是入射光瞳。 2)將光學(xué)系統(tǒng)中所有的光學(xué)零件的光孔分別通過 其前面的光學(xué)系統(tǒng)成像到整個(gè)系統(tǒng)的物空間中去，入射光瞳必然是其中對(duì)物面中心張角最小的一個(gè)。由物面中心通過入射光瞳邊緣的光線稱為第一輔助光線。同理，使所有的光學(xué)零件通光孔通過其后面的光學(xué)零件成像到像空間去，則出射光瞳對(duì)像面中心孔角最?。?2、說明：,3）如果透鏡L1和L2完全相同，并對(duì)稱于光闌放置，其入射光瞳和出射光瞳的大小和正倒完

4、全一樣，二者的垂軸放大率為+1。故結(jié)構(gòu)對(duì)稱于光闌的對(duì)稱式系統(tǒng)入射光瞳和出射光瞳與光學(xué)系統(tǒng)的物方主面和像方主面重合。,二、孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳之間的關(guān)系、 主光線,1）孔徑角 根據(jù)高斯公式： 入射光瞳相對(duì)于第一個(gè)光組（前組）的距離，則由,孔徑光闌到第二光組（后組）的距離為,同理可以由高斯公式求得出射光瞳的位置,式中 為孔徑光闌到第一光組的距離， 和 分別為第一光組和第二光組的像方焦距,入射光瞳和光闌之間間的垂軸放大率為,為孔徑光闌的直徑， 為入射光瞳直徑,入射光瞳和光闌之間間的垂軸放大率為,為孔徑光闌的直徑， 為入射光瞳直徑,則,由 可分別求出入射光瞳和出射光瞳的物方和 像方孔徑角,2）

5、主光線，相對(duì)孔徑,注意：每個(gè)物點(diǎn)僅對(duì)應(yīng)一條主光線。,三、以光瞳中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的物像關(guān)系,以光瞳中心為坐標(biāo)原點(diǎn)：A1和Ak的位置分別為p,p。,以F和F為坐標(biāo)原點(diǎn)：入瞳和出瞳的位置分別為xz,xz。,同理，光瞳處的放大率可寫為,由：,再利用牛頓公式,,可得,這就是以入瞳中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的物像位置關(guān)系公式，或稱為以光瞳中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的高斯公式.,討論：,1）當(dāng) ，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)稱于光闌，則 主面與光瞳面重合，有,此時(shí)上式變成一般形式的高斯公式,2）光瞳處的拉赫不變量為,和 為第一近軸光線與入射和出射光瞳平面相交的高度， 和 分別為第二近軸光線在物像空間的夾角。,思考題：根據(jù)所學(xué)知識(shí)，討論判斷出瞳和

6、入瞳的方法？,一、基本概念,1、視場(chǎng)：任何光學(xué)系統(tǒng)都能對(duì)系統(tǒng)光軸周圍的 空間成像，這就是該系統(tǒng)可能有的視場(chǎng)。,2、視場(chǎng)光闌：在光學(xué)系統(tǒng)像平面或者其共軛的 物平面上放置光闌來限制視場(chǎng)的光闌稱為視場(chǎng)光 闌。,二、視場(chǎng)光闌的放置： 一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)只能有一個(gè)視場(chǎng)光闌，可和物 平面重合，限定物方視場(chǎng)，也可把光闌放置在像 平面，限定像方視場(chǎng)。,三、視場(chǎng)光闌的度量,1、線視場(chǎng)：用長(zhǎng)度來度量。,物方線視場(chǎng)：物高的兩倍2y。,像方線視場(chǎng)：像高的兩倍2y。,理想光學(xué)系統(tǒng)二者關(guān)系：,2、視場(chǎng)角：用角度來度量。,物方視場(chǎng)角：2。,像方視場(chǎng)角：2 。,理想光學(xué)系統(tǒng)二者關(guān)：,當(dāng)已知視場(chǎng)半角和， 則光瞳角放大率為,,3、視

7、場(chǎng)角和線視場(chǎng)的關(guān)系,當(dāng)物體在無限遠(yuǎn)處， ，則只能在像平面上安 置視場(chǎng)光闌,4、若視場(chǎng)光闌為長(zhǎng)方形或者正方形，其線視場(chǎng) 按對(duì)角線計(jì)算。,一、軸外點(diǎn)發(fā)出光束的漸暈,1、漸暈光闌產(chǎn)生的原因 軸上點(diǎn)：發(fā)出充滿入射光瞳的光束，經(jīng)光 學(xué)系統(tǒng)后以充滿出射光瞳的光束成像。 軸外點(diǎn)：某些情況下不能以充滿入射光瞳 的光束通過系統(tǒng)成像，只有中間一部分光束可 以通過光學(xué)系統(tǒng)成像，這種軸外點(diǎn)光束被部分 攔掉的現(xiàn)象稱為漸暈，物點(diǎn)離光軸越遠(yuǎn)，漸暈 越大。,2、漸暈光闌：對(duì)軸外點(diǎn)光束產(chǎn)生漸暈的光闌稱為 漸暈光闌。在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中可以有一個(gè)漸暈光 闌，也可以有兩個(gè)漸暈光闌。 3、入射窗：漸暈光闌對(duì)其前面光學(xué)系統(tǒng)在物空 間所

8、成的像，稱為入射窗。其在物空間對(duì)軸外光 束起攔截作用，產(chǎn)生漸暈。 4、出射窗：漸暈光闌對(duì)其后面部分光學(xué)系統(tǒng)所 成的像，稱為出射窗。其在像空間對(duì)軸外光束起 攔截作用，產(chǎn)生漸暈。,二、物空間軸外光束漸暈分析,分成三個(gè)區(qū)域： 第一個(gè)區(qū)域是以AB1為半徑的圓形區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，每一點(diǎn)都以充滿入射光瞳的全部光束成像。 B1點(diǎn)的確定：由入射光瞳的下邊緣P2與入射窗的下邊緣M2的連線與物平面相交。 第二個(gè)區(qū)域是以B1B2繞光軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的環(huán)形區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，已不能使所有點(diǎn)都以充滿入射光瞳的光束通過光學(xué)系統(tǒng)成像。在子午面內(nèi)，由點(diǎn)B1和B2，從100%到50%漸變，產(chǎn)生漸暈。 B2的確定：連接入瞳中心P與入

9、射窗下邊緣M2與物平面相交。,第三個(gè)區(qū)域以B2B3繞光軸旋轉(zhuǎn)一周所形成的環(huán)形區(qū)域。在子午面內(nèi)，有B2到B3產(chǎn)生50%到0漸變， B3的確定：連接入射光瞳上邊緣P1和入射窗下邊緣M2與物平面相交。,三、漸暈的作用,1、減小光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸 2、改善軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量 同時(shí)由于漸暈，軸外點(diǎn)成像的光照度是要降低的。,四、消除漸暈的條件,令入射光瞳的直徑為2a，用p表示入瞳到物平面的距離，q表示入瞳到入射窗的距離,欲使B1B3=0，則p=q，說明入射窗與物平面重合，出射窗與像平面重合，有兩種可能： 一是沒有漸暈光闌，只有視場(chǎng)光闌。 二是可能是所討論的光闌通過光學(xué)系統(tǒng)的前面部分成像在物平面，通過系統(tǒng)的后

10、面部分成像在像平面。,五、漸暈的系數(shù),1、線漸暈系數(shù)：,2b為子午面內(nèi)斜成像光束（軸外點(diǎn)）的寬度 2h為子午面內(nèi)軸上點(diǎn)的光束寬度。 如都在入射光瞳平面上,2、幾何漸暈系數(shù)：,軸外點(diǎn)在垂直于光軸方向上的截面積,軸上點(diǎn)在垂直于光軸方向上的截面積,A,B1,B2,B3處的線漸暈系數(shù)：100%，100%，50%，0 幾何漸暈系數(shù)：100%，100%，25%，0,一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像,B1和B2與P的連線稱主光線，空間點(diǎn)在平面上的像可以這樣得到： 以入瞳中心點(diǎn)P為透視中心（投影中心），將空間點(diǎn)B1和B2沿主光線方向在對(duì)準(zhǔn)平面上投影，則投影點(diǎn)在景象平面上的共軛點(diǎn)B1和B2遍是空間點(diǎn)的像。,1、空間的

11、物點(diǎn)成像,2、光瞳對(duì)成像的影響： 物方空間點(diǎn)成像相當(dāng)于以入瞳中心為投影點(diǎn)，使得空間點(diǎn)投影在對(duì)準(zhǔn)平面上，再成像在景象平面上?；蛘咴谙窨臻g以出瞳中心為投影中心，各空間像點(diǎn)沿主光線投影在景象平面上。如果入瞳位置相對(duì)于物方空間點(diǎn)(即景物)的位置發(fā)生變化，則景象也隨之變化。,這種由于物方空間點(diǎn)(即景物)的位置發(fā)生變化引起的投影像的變化和景物不成比例的現(xiàn)象叫透視失真。,二、光學(xué)系統(tǒng)的景深,1、基本概念,景深：在平面上成清晰像的空間深度稱為景深 對(duì)準(zhǔn)平面：像面所對(duì)應(yīng)的共軛面 遠(yuǎn)景深：對(duì)準(zhǔn)平面以遠(yuǎn)能成清晰像的物空間深度 近景深：對(duì)準(zhǔn)平面以近能成清晰像的物空間深度 景深為近景深與遠(yuǎn)景深之和。,理論上：只有共軛

12、的物平面才能在像平面上成 清晰像，其他物點(diǎn)所成的像均為彌散斑。但當(dāng) 此斑對(duì)眼睛的張角小于眼睛的最小分辨角時(shí)1 人眼看起來仍為一點(diǎn)。,景深的計(jì)算,根據(jù)幾何關(guān)系,則,根據(jù)正確透視距離：使照片上各點(diǎn)對(duì)眼睛的張角 與直接觀察空間各對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)眼睛的張角相等，符 合這一條件的距離稱正確透視距離。用D表示,是A和A間的垂軸 放大率,則景象面或照片上彌散斑的直徑允許值為,則,,,討論：1）入射光瞳的直徑越小，越大,,照相機(jī)里如何調(diào)整使得入瞳直徑?。?2）若遠(yuǎn)景深度1趨近無窮,則有,則說明從對(duì)準(zhǔn)平面中心看入射光瞳時(shí)，其對(duì)眼睛的張角應(yīng)等于極限分辨角。請(qǐng)問：此時(shí)求出p2為多少？其成清晰像的范圍如何？,3）如果把照相物

13、鏡調(diào)焦到無限遠(yuǎn)，即 此時(shí),請(qǐng)問：此時(shí)其成清晰像的范圍如何？,4）景深與焦距的關(guān)系,則x,z一定時(shí)，f增加，z減小，減小 說明，景深隨著焦距的增加而減小。,結(jié)論：相對(duì)孔徑越大，焦距越長(zhǎng)，被攝體距離越近，景深就越小。,一、雜散光的產(chǎn)生及其影響,1、雜散光：通過光學(xué)系統(tǒng)投射像平面上不參與成像的有害光。 2、雜散光的產(chǎn)生： a、由于非成像光線通過光學(xué)系統(tǒng)射向儀器鏡筒的內(nèi)壁表面，再由內(nèi)壁表面反射后通過光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳射向像面。 b、成像光束及非成像光束通過光學(xué)零件折射面時(shí)，有一部分光反射回儀器的內(nèi)壁表面，或在光學(xué)零件的兩個(gè)折射面間多次反射和折射產(chǎn)生。,3、雜散光危害：降低了像面上圖像的對(duì)比度，湮沒了對(duì)

14、比度很低的圖像或圖像細(xì)節(jié)，直接降低了光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。,二、消雜光闌的應(yīng)用,1、遮光罩：消雜光闌一種通常的用法是裝在儀器物鏡的前面，即遮光罩。 2、遮光罩的作用：可以攔掉視場(chǎng)以外的光線射入物鏡的入射光瞳。,3、遮光罩的原理：(見下頁圖),3、遮光罩的原理：,4、遮光罩的長(zhǎng)度：,5、遮光罩的入射孔徑,:入射光瞳直徑； 系統(tǒng)的視場(chǎng)半角； ：通過系統(tǒng)入瞳邊緣的光線與光軸間的最大夾角,T1、設(shè)照相物鏡的焦距等于75mm，D/f=1/3.5, 底片尺寸為60* 60mm2，求該照相物鏡的最 大視場(chǎng)角等于多少？,T2、現(xiàn)在有一個(gè)照相機(jī)，其物鏡f=75mm,現(xiàn)在以 常攝距離p=3m進(jìn)行拍攝，相對(duì)孔徑D/f分別采用 1/3.5和1/22，試分別求其景深？ T3、P127面第三題。,