教学课件：第四章光学系统中的光阑.ppt

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1、第一节 光阑,第二节 照相系统的光阑,第三节 望远镜系统中成像光束的选择,第四节 显微镜系统中的光束限制与分析,第五节 光学系统的景深,第四章 光学系统中的光阑(Stops),第一节 光阑,1、孔径光阑的定义和作用,一、孔径光阑(Aperture Stops),含义1：限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。,限制成像光束和成像范围,含义2：孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成像光束的孔径角不变。,含义3：孔径光阑的位置不同，则对应于选择轴外物点发出光束的不同部分参与成像。,孔径光阑的定义：1）限制轴上物点成像光束孔径角的大小

2、（宽度）；2）选择轴外物点成像光束的位置。,2、入射光瞳与出射光瞳(Entrance and Exit pupils),Pupils：The image of the Aperture Stops,入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）,照相机镜头中的孔径光阑,孔径光阑,孔径光阑,物像关系,孔径光阑、入瞳与出瞳,出瞳,入瞳,孔径光阑,1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。,2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。,3）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了 入瞳、出瞳；三者互为物像关系。,3、关于孔径光阑需要注意的几

3、个问题,(1)轴上物点的位置发生变化，孔径光阑也会变化。,(2)几个口径一定的透镜组合，判断确定的轴上物点位置的孔径光阑：追迹光线法：过轴上物点的任一条近轴光线，求其在每个折射面的投射高度与实际口径的比值，比值最大的折射面的边框为透镜组的孔径光阑。,成像张角比较法：,例1：已知物点A离透镜1的距离为-l1=30mm，透镜1的通光口径D1=30mm,光孔2的直径D2=22mm，像点A离透镜的距离l1=60mm，透镜与光孔之间距离为d=10mm，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。,A,B,A,B,1,2,解：判断孔径光阑：轴上物点的成像张角比较法,1）透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重

4、合。,2）光孔2相对于前面透镜成像：,A,B,A,B,1,2,3）D1，D2对轴上物点A的张角：,D2的张角最小，最能限制轴上物点A的成像光束，为入瞳，即光孔2为孔径光阑，U2为物方孔径角。光孔2后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，U2为像方孔径角。,2,(3)孔径光阑位置的安放原则：a.目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接（光瞳衔接原则）；b.投影计量光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化；c.对轴外光束像差校正；d.各光学元件的口径匹配。,理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。,4、主光线（Chief ray）：,出瞳,入瞳,孔径光阑,定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。,主光线

5、是通过孔径光阑、并参与成像的物光束的中心光线。,二、视场光阑(Field Stops),1、视场光阑:,3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。,视场光阑,限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑。,Q1Q2是视场光阑。Q1Q2为入射窗;Q1Q2本身也为出射窗。通常设置在系统的实像平面或物平面,Q1,Q2,(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最小者即为入射窗，入射窗对应的光学零件视场光阑.,入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角，同时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件所成的像即为出射窗，出射窗对出瞳中心的张角即为像方视场角。,视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。,确定

6、视场光阑的方法：,(1)把孔径光阑以外的所有光孔经前面的光学系统成像到物空间，确定入瞳中心位置(实际上在确定孔径光阑时这一步骤已完成)。,孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。,线视场:物方线视场为物高的两倍，以2y表示。像方线视场为像高的两倍，以2y表示。,减小孔径光阑并不会对视场产生影响,孔径光阑的变化,视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光线的限制。,例：有一个由三个光学零件组成的光组，透镜O1,其口径D14mmf1=36mm，透镜O2，其口径 D212mm，f2=15mm,二透镜间隔195mm，在离透镜O1右180mm处设有一光孔D310mm，物点离透镜Ol

7、为-45mm1）求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的大小和位置？,解：光孔D3经O1成像,在O1左方与物点重合,透镜O2经O1成像,（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳,U1最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经O2的像为出瞳。,（2）求视场光阑、入窗、出窗,故光孔O3为视场光阑，入窗与物平面重合，大小为2.5mm，出窗在无穷远,3,2,第二节 照相系统中的光阑,一、照相机的三个组成部分,镜头、可变光阑（孔径光阑）、感光底片/暗盒（视场光阑）,轴上物点：孔径光阑在不同 位置，对成像光束宽度的限 制作用相同：都是光束的中 间部分参与成像。,轴外物点：孔径光阑在 不同位置，参

8、与成像光 束的空间位置不同，成 像质量不同。,轴外光束决定 孔径光阑的位置,假设：透镜口径足够大,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,孔径光阑位置移动，对轴上成像光束并无影响。,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,孔径光阑位置移动，对轴外成像光束有明显影响。,1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。,二、渐晕光阑（Vignetting stop）,渐晕光阑,渐晕光阑,渐晕光阑,渐晕光阑,渐晕光阑,渐晕光阑,轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称为“渐晕”。该光阑称为“渐晕光

9、阑”，渐晕光阑多为透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制轴外点成像光束。,渐晕光阑,“渐晕系数”：,三、照相系统的光阑总结,孔径光阑在物镜中的位置,第三节 望远镜系统中成像光束的选择,一、双目望远镜的组成,1、构成,2、光学参数,目视光学系统的视角放大率：远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该物体直接对眼睛张角 的正切之比。,*概念区别：角放大率,复习：第二章,3、分划板 视场光阑,分划板位于物、目两镜的共同焦面上：入射窗、出射窗均在无穷远处，分别与物、像面重合。,二、望远镜系统中的光束限制,1、光瞳衔接原则：前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。,追迹主光线 的投射高度,望远镜系统的光阑位置

10、,实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔径光阑；分划板为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳距离lz6mm,1）光阑在物镜的左侧10mm（=4.25）：,2）光阑在物镜上：,3）光阑在物镜右侧10mm：,三、望远镜系统光束限制的总结,1、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则；,2、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于6mm；,4、分划板就是视场光阑。,3、孔径光阑大致在物镜左右；,4、光阑位置对轴外光束位置的选择,第四节 显微镜系统中的光束限制和分析,一、简单显微镜系统中的光束限制,1、显微镜系统的构成,二、远心光路,1、孔径光阑在物镜上,(a)测距原理：,(b)调焦不准：,2)由于

11、调焦不精确，引 起像平面和标尺平面 不重合，从而导致测 量误差。,1)入瞳与物镜边框重合；,2、孔径光阑在物镜 的像方焦平面上,1)入瞳位于物方无穷远。,A和A1、B和B1的主光线分别重合，且轴外点的主光线平行于主轴。,3)主光线是物点成像光束的中心轴，则物点A1 B1在刻尺平面构成的两个弥散斑的中心间隔始终不变。,物方远心光路,(a)测距原理：,(b)调焦不准：,三、场镜的应用,缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径 必须非常大。,-1透镜转像系统：加长光路。,1、长光路显微镜系统,2、降低主光线，减小后续光路口径的办法,-1转像系统,场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。

12、,效果：主光线经场镜后通过-1转像透镜中心，从而对后面系统的口径要求最小。场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。,实际设计：在-1转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。,场镜的应用,四、显微镜系统光束选择的总结,1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；,4、长光路显微镜系统：利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，减小光学零件尺寸。,2、一次实像面处安放视场光阑；,3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上 物方远心光路,第五节 光学系统的景深,同一位置不同景深的效果,一、光学系统的空间像,1、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。,对准平面,景像平面,以入瞳中心为投影中心，以各空间点的主光线为投影方向，向

13、对准平面投影，对应投影点在景象平面上的共轭点即为空间点的平面像。,平面上的空间像的获得：,或：在像空间以出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的主光线为投影方向，各空间像点向景象平面投影，可得空间点的平面像。,2、透视失真,投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。,3、景像畸变,二、光学系统的景深,成像空间的景深：在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。,入瞳中心：物空间参数的起算原点,出瞳中心：像空间参数的起算原点,对准平面的弥散斑直径：,景像平面的弥散斑直径：,由相似三角形得：,两个因素：观测距离、极限分辨角,正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的张角，与直接观察空间时各对应点对眼

14、睛的张角相等。,眼睛,以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：,对准平面上对应弥散斑的允许值：,远景、近景到对准平面的距离：,远景、近景到入瞳的距离：,总成像深度景深,物方孔径角U：轴上物点-入瞳边缘连线与光轴的夹角。,例：照相机的原理图,光圈大小对于景深的影响,对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大,孔径光阑光圈,相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之比),例1：现有一照相机，其物镜f=75mm，现以常摄距离p=3m进行拍摄，光圈的相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之比)分别采用1/3.5和1/22，试分别求其景深。,解：,不同光圈的效果,1、使对准平面前的整个空间都能在景像平面上成清晰像：,即，远景深度：,三、特例,景深：自入瞳前距离a/处的平面起至无限远。,2、照相物镜调焦到无限远：,END4,景深：自入瞳前距离2a/处的平面起至无限远。,（对准平面）,（一）长景深的照片,（二）短景深照片,