《光學(xué)系統(tǒng)中的光闌》PPT課件.ppt

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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，就限制軸上點的光束寬度而言，成像并沒有區(qū)別。2）孔徑光闌處于什么位置，對軸外點的光束寬度而言，對成像產(chǎn)生較大影響。,3、視場光闌：限制成像范圍的光闌稱為視場光闌。4、漸暈光闌：軸外點光束被攔截的現(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，簡稱“入瞳”。光孔Q1QQ2通過其后面的透鏡在像空間所成的像P1’P’P2’決定了系統(tǒng)像方孔徑角U’，稱為出射光瞳，簡稱“出瞳”。光孔Q1QQ2即為孔徑光闌。,1）入射光瞳通過整個系統(tǒng)所成的像就是出射光瞳，二者對整個光學(xué)系統(tǒng)是共軛的。如果光闌在整個系統(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)成像到整個系統(tǒng)的物空間中去，入射光瞳必然是其中對物面中心張角最小的一個。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，則出射光瞳對像面中心孔角最?。?2、說明：,3）如果透鏡L1和L2完全相同，并對稱于光闌放置，其入射光瞳和出射光瞳的大小和正倒完全一樣，二者的垂軸放大率為+1。故結(jié)構(gòu)對稱于光闌的對稱式系統(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：入射光瞳相對于第一個光組（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）主光線，相對孔徑,注意：每個物點僅對應(yīng)一條主光線。,三、以光瞳中心為坐標原點的物像關(guān)系,以光瞳中心為坐標原點：A1和A’k的位置分別為p,p’。,以F和F’為坐標原點：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原點的物像位置關(guān)系公式，或稱為以光瞳中心為坐標原點的高斯公式.,討論：,1）當，光學(xué)系統(tǒng)對稱于光闌，則主面與光瞳面重合，有,此時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，討論判斷出瞳和入瞳的方法？,一、基本概念,1、視場：任何光學(xué)系統(tǒng)都能對系統(tǒng)光軸周圍的空間成像，這就是該系統(tǒng)可能有的視場。,2、視場光闌：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的光闌稱為視場光闌。,二、視場光闌的放置：一個光學(xué)系統(tǒng)只能有一個視場光闌，可和物平面重合，限定物方視場，也可把光闌放置在像平面，限定像方視場。,三、視場光闌的度量,1、線視場：用長度來度量。,物方線視場：物高的兩倍2y。,像方線視場：像高的兩倍2y。,理想光學(xué)系統(tǒng)二者關(guān)系：,2、視場角：用角度來度量。,物方視場角：2ω。,像方視場角：2ω’。,理想光學(xué)系統(tǒng)二者關(guān)：,當已知視場半角ω和ω’，則光瞳角放大率為,,3、視場角和線視場的關(guān)系,當物體在無限遠處，，則只能在像平面上安置視場光闌,4、若視場光闌為長方形或者正方形，其線視場按對角線計算。,一、軸外點發(fā)出光束的漸暈,1、漸暈光闌產(chǎn)生的原因軸上點：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：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，這種軸外點光束被部分攔掉的現(xiàn)象稱為漸暈，物點離光軸越遠，漸暈越大。,2、漸暈光闌：對軸外點光束產(chǎn)生漸暈的光闌稱為漸暈光闌。在一個光學(xué)系統(tǒng)中可以有一個漸暈光闌，也可以有兩個漸暈光闌。3、入射窗：漸暈光闌對其前面光學(xué)系統(tǒng)在物空間所成的像，稱為入射窗。其在物空間對軸外光束起攔截作用，產(chǎn)生漸暈。4、出射窗：漸暈光闌對其后面部分光學(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,分成三個區(qū)域：第一個區(qū)域是以AB1為半徑的圓形區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，每一點都以充滿入射光瞳的全部光束成像。B1點的確定：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與入射窗下邊緣M2與物平面相交。,第三個區(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、改善軸外點的成像質(zhì)量同時由于漸暈，軸外點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）的寬度2h為子午面內(nèi)軸上點的光束寬度。如都在入射光瞳平面上,2、幾何漸暈系數(shù)：,軸外點在垂直于光軸方向上的截面積,軸上點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，空間點在平面上的像可以這樣得到：以入瞳中心點P為透視中心（投影中心），將空間點B1和B2沿主光線方向在對準平面上投影，則投影點在景象平面上的共軛點B1’和B2’遍是空間點的像。,1、空間的物點成像,2、光瞳對成像的影響：物方空間點成像相當于以入瞳中心為投影點，使得空間點投影在對準平面上，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，各空間像點沿主光線投影在景象平面上。如果入瞳位置相對于物方空間點(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(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準平面：像面所對應(yīng)的共軛面遠景深：對準平面以遠能成清晰像的物空間深度近景深：對準平面以近能成清晰像的物空間深度景深為近景深與遠景深之和。,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。但當此斑對眼睛的張角小于眼睛的最小分辨角時1’人眼看起來仍為一點。,景深的計算,根據(jù)幾何關(guān)系,則,根據(jù)正確透視距離：使照片上各點對眼睛的張角與直接觀察空間各對應(yīng)點對眼睛的張角相等，符合這一條件的距離稱正確透視距離。用D表示,β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，Δ越大,,照相機里如何調(diào)整使得入瞳直徑??？,2）若遠景深度Δ1趨近無窮,則有,則說明從對準平面中心看入射光瞳時，其對眼睛的張角應(yīng)等于極限分辨角。請問：此時求出p2為多少？其成清晰像的范圍如何？,3）如果把照相物鏡調(diào)焦到無限遠，即此時,請問：此時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，f’增加，z減小，Δ減小說明，景深隨著焦距的增加而減小。,結(jié)論：相對孔徑越大，焦距越長，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，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比度，湮沒了對比度很低的圖像或圖像細節(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、遮光罩的長度：,5、遮光罩的入射孔徑,:入射光瞳直徑；系統(tǒng)的視場半角；：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角等于多少？,T2、現(xiàn)在有一個照相機，其物鏡f’=75mm,現(xiàn)在以常攝距離p=3m進行拍攝，相對孔徑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。,