光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制ppt課件

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工程光學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 1 第三章光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制及光學(xué)系統(tǒng) 實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)和理想光學(xué)系統(tǒng)不同 必須限制參與成像的光束寬度和成像范圍以保證成像質(zhì)量 其限制來自光學(xué)零件尺寸大小 光學(xué)系統(tǒng)不同 參與成像的光束位置和寬度要求不同 1 照相系統(tǒng)和光束限制2 光學(xué)系統(tǒng)的景深3 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)及光束的選擇4 顯微鏡系統(tǒng)中光束的限制與選擇 2 單鏡頭反光照相機(jī) SLR 3 1照相系統(tǒng) 3 照像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 照相系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 由照相鏡頭 可變光闌和感光底片組成 4 一 攝影系統(tǒng)的組成由攝影物鏡和感光元件組成 二 攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性參數(shù)焦距f 相對孔徑D f 視場角2 景深 焦距決定成像的大小 相對孔徑?jīng)Q定像面照度 視場決定成像范圍 1 視場影響因素 焦距 接收器尺寸像的大小與焦距的關(guān)系 5 在拍攝遠(yuǎn)處物體時(shí) 像的大小為 在拍攝近處物體時(shí) 像的大小為 普通照相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距為50mm 鏡頭的焦距與像的大小 1 像的大小 6 增大像距放大圖像 在鏡頭與相機(jī)之間加接圈增加像距 7 2 視場影響因素 焦距 接收器尺寸當(dāng)接收器的尺寸一定時(shí) 物鏡的焦距越短 則其視場角越大 焦距越長 視場角越小 3 分辨率影響因素 物鏡的分辨率和接收器的分辨率分辨率的度量以像平面上每毫米內(nèi)能分辨開的線對數(shù)Cy mm表示 經(jīng)驗(yàn)公式 理論分辨率 光圈數(shù) 物方最大視場角 物鏡分辨率 接收器分辨率 8 視場和焦距的關(guān)系 9 三 照像系統(tǒng)的光束限制 光闌 限制成像光束的光孔或限制成像范圍的光孔或框 分為視場光闌和孔徑光闌 孔徑光闌 限制進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的成像光束的光孔口徑的光闌 視場光闌 限制成像范圍的光闌 不同的光學(xué)系統(tǒng) 由于對成像要求不同 其對光束的約束也不同 光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的位置會(huì)不同 10 孔徑光闌的位置對光束的選擇 孔徑光闌對軸上點(diǎn)光束的限制 孔徑光闌的位置對軸上點(diǎn)光束寬度成像無限制 11 孔徑光闌的位置對光束的選擇 孔徑光闌對軸外點(diǎn)光束的限制 孔徑光闌位置對軸外點(diǎn)的光束寬度的成像產(chǎn)生較大影響 M M N N M N 12 漸暈 漸暈光闌及漸暈系數(shù) 透鏡的邊框起到 攔光 的作用即漸暈光闌漸暈系數(shù) 13 入瞳和出瞳 孔徑光闌經(jīng)其前面的透鏡或透鏡組在光學(xué)系統(tǒng)物空間成的像稱為入瞳 它是入射光束的入口 孔徑光闌經(jīng)其后面的透鏡或透鏡組在光學(xué)系統(tǒng)物空間成的像稱為出瞳 它是出射光束的出口 入瞳和出瞳 14 視場光闌及入射窗 出射窗 視場光闌經(jīng)其前面的光組在物空間所成的像 稱為光學(xué)系統(tǒng)的入射窗視場光闌經(jīng)其后面的光組在物空間所成的像 稱為光學(xué)系統(tǒng)的出射窗 15 孔徑光闌在組合透鏡中的位置 16 四 光學(xué)系統(tǒng)的景深 一 空間的物點(diǎn)成像 17 2 光瞳和視場對成像的影響 18 二 光學(xué)系統(tǒng)的景深 3 正確透視條件 19 4 光學(xué)系統(tǒng)的景深 1 概念 景深 成像清晰的空間深度遠(yuǎn)景深度 遠(yuǎn)景平面距對準(zhǔn)平面的距離近景深度 近景平面距對準(zhǔn)平面的距離2 景深公式 由 20 由相似三角形關(guān)系得 由此得 由 21 景深和焦距及孔徑光闌的關(guān)系 景深和焦距以及入瞳直徑有關(guān)系 拍攝距離和光圈數(shù)影響景深 孔徑光闌越小景深越大 22 調(diào)節(jié)曝光量 改變成像質(zhì)量 23 二 孔徑光闌孔徑的調(diào)節(jié) 24 三 攝影物鏡的類型1 像差校正要求 大視場 大相對孔徑需要校正軸外點(diǎn)和軸上點(diǎn)像差2 基本類型介紹普通攝影物鏡 大相對孔徑攝影物鏡廣角攝影物鏡 遠(yuǎn)攝物鏡變焦距物鏡變焦比 焦距為 25 天塞物鏡 雙高斯物鏡 廣角物鏡 遠(yuǎn)攝物鏡 變焦物鏡 26 四 照相光學(xué)系統(tǒng)小結(jié) 照相光學(xué)系統(tǒng)中根據(jù)軸外光束的像質(zhì)來選擇孔徑光闌的位置 大致位置在物鏡的某個(gè)空氣間隔中 在有漸暈的情形下 軸外點(diǎn)光束寬度不僅僅由孔徑光闌的口徑確定 而且還和漸暈光闌的口徑有關(guān) 在照相光學(xué)系統(tǒng)中 感光底片的框子就是視場光闌 孔徑光闌的形狀一般為圓形 而視場光闌的形狀為圓形或矩形等 27 3 2望遠(yuǎn)系統(tǒng) 一 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 28 一 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)光學(xué)數(shù)據(jù)視角放大率 視場角 2 出瞳直徑 D 出瞳距離lz 物鏡焦距 f 物目鏡焦距 f 目 29 開普勒望遠(yuǎn)鏡 伽利略望遠(yuǎn)鏡 30 二 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)1 視覺放大率望遠(yuǎn)鏡的視角放大率與物體的位置無關(guān) 僅取決于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 欲增大視角放大率 必須增大物鏡的焦距或減少目鏡的焦距 但目鏡的焦距不小于6mm 使得望遠(yuǎn)系統(tǒng)保持一定的出瞳距 人眼的有效視覺分辨率為1 31 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率 按瑞利判斷 按道威判斷 即入射光瞳直徑D越大 極限分辨率越高視覺放大率和分辨率的關(guān)系有效放大率 滿足分辨要求的最小視覺放大率工作放大率 分辨角 2 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率 艾里斑半徑 32 1 開普勒望遠(yuǎn)鏡 物鏡框是孔徑光闌 分劃板是視場光闌 出瞳 入瞳 目鏡框是漸暈光闌物方視場角 為 視場角2 一般不超過15 2 伽利略望遠(yuǎn)鏡瞳孔為孔徑光闌 物鏡框?yàn)橐晥龉怅@漸暈 當(dāng)視場為50 漸暈 K 50 時(shí) 其視場角最大視場 漸暈系數(shù)K 0 視覺放大率 視場 3 望遠(yuǎn)鏡的視場 33 34 三 望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的光束限制 光瞳銜接原則 前面系統(tǒng)的出瞳和后面系統(tǒng)的入瞳重合 孔徑光闌在不同位置處的計(jì)算1 物鏡左側(cè)10mm2 物鏡上3 物鏡右側(cè)10mm孔徑光闌處于不同位置時(shí)光束的成像 35 三 望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)小結(jié) 兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)連用時(shí) 一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外 且出瞳距不能短于6mm望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌大致在物鏡左右可放分劃板的望遠(yuǎn)系統(tǒng)中 分劃板框是望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視場光闌 36 3 3顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析 一 簡單顯微鏡系統(tǒng)的光束限制遠(yuǎn)心光路二 場鏡的應(yīng)用場鏡場鏡的作用 壓低光線 減小后續(xù)光闌光瞳直徑 37 38 39 三 顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)小結(jié) 一般顯微鏡系統(tǒng)中 孔徑光闌置于顯微鏡上 一次實(shí)像面處安置系統(tǒng)的視場光闌 顯微系統(tǒng)用于測長等目的時(shí) 為了消除測量誤差 孔徑光闌安放在顯微物鏡的像方焦面處 稱為 物方遠(yuǎn)心光路 在長光路系統(tǒng)中 往往利用場鏡達(dá)到前后系統(tǒng)的光瞳銜接 以減小光學(xué)零件的口徑 40 二 光學(xué)系統(tǒng)的景深 4 例題設(shè)入射光瞳直徑為當(dāng)把對準(zhǔn)平面調(diào)焦在無窮遠(yuǎn)處時(shí) 求近景位置 若使遠(yuǎn)景平面無限遠(yuǎn) 求對準(zhǔn)平面和近景位置 若使求遠(yuǎn)景和近景的深度和位置 41 3 5光束限制的應(yīng)用舉例 編碼計(jì)數(shù)型開關(guān) 脈沖測距儀 42 本章小結(jié) 1 照相系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 掌握視場光闌 孔徑光闌 如瞳 出瞳的概念 以及照相程序系統(tǒng)對光闌位置的要求2 望遠(yuǎn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和視場放大率3 顯微鏡系統(tǒng)的基本形式4 景深的概念和計(jì)算 43 3 像面照度物體在無限遠(yuǎn)時(shí) 0 則 對大視場物鏡有 44