应用光学-第五章

1、2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所1第五章第五章 光学系统中成像光束光学系统中成像光束的选择的选择2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所2 组成光学系统的所有零件都有一定的组成光学系统的所有零件都有一定的尺寸大小。尺寸大小。 实际的光学系统除了应满足前述的实际的光学系统除了应满足前述的物象物象共轭位置关系和成像放大率共轭位置关系和成像放大率的要求外，的要求外，还要有一定的还要有一定的成像范围。成像范围。 前面的研究没有对光学零件的大小加以前面的研究没有对光学零件的大小加以限制。限制。2022-3-19 哈工

2、大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所3 由一点发出能进入透镜或光学系统的光束，由一点发出能进入透镜或光学系统的光束，其立体角大小决定于透镜的直径其立体角大小决定于透镜的直径 5-1 光阑及其作用光阑及其作用 装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制光束的光孔，这个光孔对光学零件来是限制光束的光孔，这个光孔对光学零件来说被称为说被称为“通光孔径通光孔径”。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所4 光阑的定义： 夹持光学零件的金属框（透镜框、夹持光学零件的金属框（透镜框、棱镜框）或者人为设置的装

3、置限制棱镜框）或者人为设置的装置限制了成像光束的大小，了成像光束的大小，光学中这种限光学中这种限制成像光束的光孔称为制成像光束的光孔称为。 有些光孔的大小是可变化的，这种有些光孔的大小是可变化的，这种光阑称为光阑称为“” 2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所5光阑在光学系统中的作用： 决定像面的照度。决定像面的照度。 决定系统的视场。决定系统的视场。 限制光束中偏离理想位置的一些限制光束中偏离理想位置的一些光线，用以改善系统的成像质量光线，用以改善系统的成像质量 拦截系统中有害的杂散光。拦截系统中有害的杂散光。 光阑是实际光学系统成完善（满意）光阑是

4、实际光学系统成完善（满意）像必不可少的零件。像必不可少的零件。 2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所6光阑按上述的作用分为：光阑按上述的作用分为：孔径径光阑阑视场视场光阑阑渐晕渐晕光阑阑消杂杂光光阑阑它是它是限制轴上物点成像光束限制轴上物点成像光束立体角（锥角）的光阑。立体角（锥角）的光阑。也就是起到决定能通过光学系统的光能多少也就是起到决定能通过光学系统的光能多少（即像平面照度）的光阑。（即像平面照度）的光阑。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所7 视场视场光阑阑 限制物平面或物空间能被光学系统成限制物平

5、面或物空间能被光学系统成像的最大范围的光阑称为视场光阑像的最大范围的光阑称为视场光阑。 视场视场： 物平面或物空间能被光学系统成像的物平面或物空间能被光学系统成像的最大范围称为视场最大范围称为视场。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所8 渐晕渐晕光阑阑 光阑以减少轴外像差为目的，使物空光阑以减少轴外像差为目的，使物空间轴外点发出的、原本能通过上述两间轴外点发出的、原本能通过上述两种光阑的成像光束只能部分通过，这种光阑的成像光束只能部分通过，这种光阑称为渐晕光阑。种光阑称为渐晕光阑。 渐晕渐晕 由于轴外点成像光束部分被遮挡，造由于轴外点成像光束部分被遮

6、挡，造成像的边缘部分亮度比像平面中心暗，成像的边缘部分亮度比像平面中心暗，这种现象叫渐晕。这种现象叫渐晕。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所9 消杂杂光光阑阑 这种光阑不限制通过光学系统中的成像光这种光阑不限制通过光学系统中的成像光束，只限制那些从非成像物体射来的光、束，只限制那些从非成像物体射来的光、光学系统各折射面反射的光和仪器内壁反光学系统各折射面反射的光和仪器内壁反射的光等，这些光阑称为射的光等，这些光阑称为消杂光光阑消杂光光阑。 物镜物镜消杂光光阑消杂光光阑分划板2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研

7、究所10老式相机中的消杂光阑老式相机中的消杂光阑2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所115-2 孔径光阑、入瞳、出瞳孔径光阑、入瞳、出瞳一、孔径光阑的确定一、孔径光阑的确定当实际光组中有多个光阑时，确定方法为：当实际光组中有多个光阑时，确定方法为：将各个光阑：将各个光阑成像到物空间成像到物空间；：由物点向光阑像边缘引光线，确定光线与光轴的夹角；：由物点向光阑像边缘引光线，确定光线与光轴的夹角；：夹角最小者夹角最小者所对应的光阑即为所对应的光阑即为孔径光阑孔径光阑。确定方法可以通过图解法，也可以通过解析法。确定方法可以通过图解法，也可以通过解析法。20

8、22-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所12v例例 已知一光学系统由三个零件组成，透镜已知一光学系统由三个零件组成，透镜1其焦距其焦距 f1= - f1 =100mm，口径，口径D1 = 40mm；透镜；透镜2的焦距的焦距f2= - f2 =120mm，口径，口径D2 = 30mm，它和透镜，它和透镜1之间的距离为之间的距离为d1 = 20mm；光阑；光阑3口径为口径为20mm，它和透镜，它和透镜2之间的距离之间的距离d2 = 30mm。物点。物点A的位置的位置L1 = -200mm，试确定该光组中，试确定该光组中，哪一个光孔是孔径光阑。哪一个光孔是孔径光阑

9、。 A3D2D1D1L2d1dF1 F22022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所131、图解法、图解法按照孔径光阑确定方法，需把各个光阑成像到按照孔径光阑确定方法，需把各个光阑成像到物空间去（将物空间去（将F与与F对调）。对调）。3D2D3D2D1DD D1 1前面没有任何光组，所以它本身就是在物空间的像。前面没有任何光组，所以它本身就是在物空间的像。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所14由物点向各个像边缘引光线，得到夹角最小者所由物点向各个像边缘引光线，得到夹角最小者所对应的光阑即为孔径光阑对应的光阑即为孔

10、径光阑。D1，D1D2D3D D2 2为系统的孔径光阑。为系统的孔径光阑。A2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所15 解：解：1. 1.由于透镜由于透镜1 1的前面没有任何光组，所以的前面没有任何光组，所以它本身就是在物空间的像。它本身就是在物空间的像。透镜透镜2 在透镜在透镜1的右边，要使它成像光线须自右向左，的右边，要使它成像光线须自右向左，属于反向光路。而牛顿公式和高斯公式皆由正光路属于反向光路。而牛顿公式和高斯公式皆由正光路导出，符号规则也由正光路规定，不可随便用于反导出，符号规则也由正光路规定，不可随便用于反光路。光路。2、解析法：、解析法

11、：解决方法：认为透镜解决方法：认为透镜2是像，求物。是像，求物。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所16100112011112122lfllmml2522、因为、因为 f1= - f1 =100mm，l 2 = 20mm，利用高，利用高斯公式：斯公式：3D2D1D2d1dF1,F22022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所178 . 025202222llyymmy75.188 . 0152 3. 3. 再求光阑再求光阑3 3被前面光组所成的像被前面光组所成的像。 必须注意：必须注意：为了求得光阑为了求得光阑3

12、 3在物空间的像，要使它在物空间的像，要使它分别对透镜分别对透镜1 1、2 2成像。成像。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所18同理，求得光阑同理，求得光阑3在物空间的像在物空间的像mmy33.333mml1503mm25mm150D1D2D3mm2002022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所19 物点A对对光阑阑D1 的张张角102002020011.Dtgu0833022575182.tgu0952035033333.tgu 对对D2 的张张角 对对光阑阑D3 的张张角 u2 为为最小，说说明光阑阑像D2

13、 限制了物点的物方孔径径角，故透镜镜2的镜镜框为为孔径径光阑阑。 2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所20 将孔径光阑将孔径光阑Q1Q Q2通过其前面的透镜成像到物空间去，通过其前面的透镜成像到物空间去，则其像则其像P1PP2 就决定了光学系统的物方孔径角就决定了光学系统的物方孔径角U。-y -UPP1P2UyQQ2Q孔径光阑孔径光阑L1L2U 物方孔径角物方孔径角2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所21 孔径光阑孔径光阑被其前面的光组被其前面的光组在光学系统在光学系统物空物空间间所成的像称为所成的像称为入

14、射光瞳入射光瞳，简称，简称入瞳。入瞳。 -y -UUyQQ2Q孔径光阑孔径光阑L1L2U 物方孔径角物方孔径角PP1P2入射光瞳入射光瞳2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所22 孔径光阑孔径光阑Q1QQ2被被其后面的其后面的透镜（光组）在透镜（光组）在像空间像空间所成的像所成的像P1PP2 称为称为出射光瞳出射光瞳，简称，简称出瞳出瞳，其决定了系统像方孔径角，其决定了系统像方孔径角U P1P2出射光瞳出射光瞳孔径光阑孔径光阑-y -UPUyQQ2QL1L2U 像方孔径角像方孔径角2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工

15、程研究所23 入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是出射光瞳。出射光瞳。 入瞳入瞳与与出瞳出瞳对整个光学系统是对整个光学系统是共轭共轭的的。 如果孔径光阑在整个光学系统的像空如果孔径光阑在整个光学系统的像空间，那么它本身也就是间，那么它本身也就是出射光瞳出射光瞳； 反之，若在物空间，它就是反之，若在物空间，它就是入射光瞳。入射光瞳。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所24 将光学系统中所有光学零件的通光将光学系统中所有光学零件的通光孔分别通过其前面的光学零件成像孔分别通过其前面的光学零件成像到整个系统的到整个系统的物

16、空间物空间去，系统的入去，系统的入射光瞳必然是其中对物面中心的射光瞳必然是其中对物面中心的张张角为最小角为最小的一个。的一个。 对于一定位置的物体而言，对于一定位置的物体而言，决定了决定了能进入系统成像的最大光束孔径，且能进入系统成像的最大光束孔径，且物物面上各点发出的面上各点发出的；2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所25QQQ2A -UQ1QQ2入射光瞳入射光瞳孔径光阑孔径光阑L1L2 2L2从物点向各个光阑在物空间的像的边缘连线入瞳是物面上各点的成像入瞳是物面上各点的成像光束经系统的公共入口。光束经系统的公共入口。2022-3-19 哈工大测控

17、技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所26 将光学系统中所有光学零件的通光将光学系统中所有光学零件的通光孔分别通过其后面的光学零件成像孔分别通过其后面的光学零件成像到整个系统的到整个系统的像空间像空间去，系统的出去，系统的出射光瞳必然是其中对像面中心的射光瞳必然是其中对像面中心的张张角为最小角为最小的一个。的一个。 2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所27QL1AU孔径光阑孔径光阑QQ2QL2Q Q出射光瞳出射光瞳L1出瞳是物面上各点的成像光束经出瞳是物面上各点的成像光束经系统后射出系统的公共出口。系统后射出系统的公共出口。2022-3-

18、19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所28 通过入射光瞳通过入射光瞳中心中心的光线称为的光线称为主光线主光线 由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。阑中心和出瞳中心。 显然，主光线是各个物点发出的成像光束的显然，主光线是各个物点发出的成像光束的光束对称轴线。光束对称轴线。 光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重要性能参数之一，用要性能参数之一，用 U Umax max 表示。表示。 它不但决定了像面的照度，而且还决定了光它不但决定了像面的照度，而且还决定了光学系统分辨能力学系统

19、分辨能力 2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所29对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种孔径角相应的性能参数孔径角相应的性能参数 显微系统和投影系统的物镜常用显微系统和投影系统的物镜常用nsinsinU Umaxmax表示，表示，被称之为被称之为数值孔径数值孔径，用，用NANA表示，即表示，即maxUsinnNA n n 物方空间的介质折射率。物方空间的介质折射率。 物方孔径角物方孔径角U Umaxmax越大，其越大，其数值孔径数值孔径也越大也越大 进入系统的光能越多，理论分辨本领越高进入

20、系统的光能越多，理论分辨本领越高2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所30 望远系统和摄影系统常用望远系统和摄影系统常用相对孔径相对孔径A来表示来表示 fDA AD fF1 D 入瞳直径径 f物镜镜焦距 相对对孔径径A越大，表明能进进入系统统的光能也越多 而照相机，则则常用另一个术语个术语光阑阑指数数，用F来来表示，它它是相对对孔径径的倒数数，即 F俗称俗称光圈光圈，相对孔径越大时，光圈数值愈小，相对孔径越大时，光圈数值愈小。 2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所31必须注意： 光学系统的孔径光阑只是对一定位

21、置的光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的物体而言的 如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限制。所限制。 在上例中，若物距在上例中，若物距l1 = -100mm = -100mm，此时光学系统的孔径光阑，此时光学系统的孔径光阑为哪一个？为哪一个？2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所32注：在目视仪器中，出瞳的像一定要成在系统外面，注：在目视仪器中，出瞳的像一定要成在系统外面，以使眼睛的瞳孔与之重合（光瞳衔接原则）

22、。以使眼睛的瞳孔与之重合（光瞳衔接原则）。合理选择孔径光阑的位置可以改善轴外点成像质量。合理选择孔径光阑的位置可以改善轴外点成像质量。 对于对于无限远的物体无限远的物体，光学系统的所有光孔被其前，光学系统的所有光孔被其前面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的一个光孔像就是系统的入瞳。一个光孔像就是系统的入瞳。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所335-3 视场光阑、入射窗、出射窗视场光阑、入射窗、出射窗 光学系统的成像范围是有限的。光学系统的成像范围是有限的。 照相机中底片框限制了被成像范围的大小照相机中

23、底片框限制了被成像范围的大小 工具显微镜中分划板的直径决定成像范围的工具显微镜中分划板的直径决定成像范围的大小大小这种限制物体成像范围的光阑称为这种限制物体成像范围的光阑称为视场光阑视场光阑2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所34一、视场光阑的确定方法：一、视场光阑的确定方法：（2）确定）确定；（1）用计算法或作图法求每一光阑被它前面光组在）用计算法或作图法求每一光阑被它前面光组在物空间所成的物空间所成的由由向各光阑在物空间所成像的边缘引光向各光阑在物空间所成像的边缘引光线，夹角最小者所对应的光阑即为线，夹角最小者所对应的光阑即为视场光阑视场光阑。2

24、022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所35求上例中光组的视场光阑。求上例中光组的视场光阑。 f1= - f1 =100mm，D1 = 40mm；f2= - f2 =120mm，D2 = 30mm，d1 = 20mm； D3=20mm，d2 = 30mm ，L1 = -200mmmm20mm100D1D2D3mm200F1 ，F2mm302022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所36求出系统每一个光阑被它前面光组在物空间所成的求出系统每一个光阑被它前面光组在物空间所成的像（此步骤在像（此步骤在求孔径光阑时求孔径光阑时已

25、经进行）已经进行） ，然后由然后由入瞳中心向各个像的边缘引线。入瞳中心向各个像的边缘引线。D3孔径光阑孔径光阑D2D1D1D2F1F2D3mm25mm15033.33w1w2w3入瞳入瞳2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所37 D1 对对入瞳中心的张张角为为 D2 本身是入瞳，D3对对入瞳中心的张张角为为 D3对对入瞳中心的张张角最小，故光阑阑3是视场视场光阑阑。 8025201.tg266. 02515033.333tg2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所38二、相关概念二、相关概念光学系统的视场光阑确定

26、后引入如下概念：光学系统的视场光阑确定后引入如下概念：被其被其在在所所成的像。成的像。(简称简称)：被其被其在在所所成的像。成的像。(简称简称)入窗限制物空间的可成像范围入窗限制物空间的可成像范围出窗限制像空间的成像范围出窗限制像空间的成像范围视场光阑、入窗和出窗互为共轭。视场光阑、入窗和出窗互为共轭。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所39在上例中，出窗与视场光阑重合。在上例中，出窗与视场光阑重合。：在：在中，中，对对的张角的张角2 ：在：在，对对的张角的张角2 半视场角半视场角 与与也可以表示光组视场的大小，因也可以表示光组视场的大小，因此常把此

27、常把 与与称为视场角。称为视场角。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所40视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替可能被另外的光孔所代替。必须注意：2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所41实际中入瞳总是有一定的大小。实际中入瞳总是有一定的大小。则则A1以内的区域每点均以充满入瞳的全部光束成像。以内的区域每点均以充满入瞳的全部光束成像。A1A2区域内每一点已不能区域内每一点已不

28、能用充满入瞳的全部光束成用充满入瞳的全部光束成像，有一部分光线被入窗像，有一部分光线被入窗阻挡。阻挡。A2A3区域内每点光线被入区域内每点光线被入窗阻挡的更多。窗阻挡的更多。A3点以外的区域每点光线点以外的区域每点光线不能进入入瞳，不能成像。不能进入入瞳，不能成像。O3A2A1A渐晕现象渐晕现象入瞳入窗物平面物平面2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所42这种由这种由轴外点轴外点发出充满入瞳的光束中部分光线被其发出充满入瞳的光束中部分光线被其他光孔遮拦的现象称为轴外点光束的渐晕。他光孔遮拦的现象称为轴外点光束的渐晕。物点离光轴越远，渐晕越大。轴上点无渐

29、晕。物点离光轴越远，渐晕越大。轴上点无渐晕。渐晕系数：被拦掉的渐晕系数：被拦掉的光束在入瞳面上的截光束在入瞳面上的截面积与入瞳面积之比。面积与入瞳面积之比。由由A1到到A2，渐晕系，渐晕系数由数由0到到0.5由由A2到到A3，渐晕系，渐晕系数由数由0.5到到1因此整个视场由亮逐渐变暗，没有清晰的界限。因此整个视场由亮逐渐变暗，没有清晰的界限。O3A2A1A入瞳入窗物平面物平面2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所432022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所44 入射光瞳具有一定大小入射光瞳具有一定大小时，没有渐晕

30、的情况也时，没有渐晕的情况也是存在的是存在的 入窗和物平面相重合入窗和物平面相重合 或者或者把视场光阑设置在把视场光阑设置在像平面上像平面上 视场具有清晰的界限视场具有清晰的界限 物平面物平面入窗入窗入瞳入瞳出瞳出瞳像平面像平面视场光阑视场光阑出窗出窗2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所45光学系统的视场大小用两种方法表示光学系统的视场大小用两种方法表示 线视场：线视场：对近距离成像的光组，常用能看到的对近距离成像的光组，常用能看到的物平面直径物平面直径2y来表示。来表示。视场角：视场角：对远距离或无限远物体成像的光组，常对远距离或无限远物体成像的光

31、组，常用角度用角度2来表示其视场的大小。来表示其视场的大小。用于近距离成像系统，如显微系统用于近距离成像系统，如显微系统用于远距离成像系统，如望远镜，照相物镜用于远距离成像系统，如望远镜，照相物镜2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所46光学系统中还有一种光阑并不限制通过光学系统光学系统中还有一种光阑并不限制通过光学系统参与成像的光束，只对非成像物体射进系统的杂参与成像的光束，只对非成像物体射进系统的杂光起限制作用，称为光起限制作用，称为。为了改善轴外点的成像，常有意识地缩小某一、为了改善轴外点的成像，常有意识地缩小某一、二个透镜直径，挡去一部分成像光

32、线，这种被缩二个透镜直径，挡去一部分成像光线，这种被缩小直径的透镜或光孔称为小直径的透镜或光孔称为。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所47三、两种光阑作用的比较三、两种光阑作用的比较 对孔径光阑与视场光阑对孔径光阑与视场光阑 孔径光阑限制成像光束的孔径，即决定像的照度、孔径光阑限制成像光束的孔径，即决定像的照度、分辩率。分辩率。 视场光阑决定视场，即物体成像的范围。视场光阑决定视场，即物体成像的范围。 孔径光阑缩小时，每一物点成像光束孔径角变小，孔径光阑缩小时，每一物点成像光束孔径角变小，像面照度减小，但成像范围不变像面照度减小，但成像范围不变 视

33、场光阑缩小时，成像范围变小，但能成像物点视场光阑缩小时，成像范围变小，但能成像物点的孔径角不变，即像的照度不变。的孔径角不变，即像的照度不变。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所48作业：将一个直径作业：将一个直径D1=30mm、焦距为、焦距为f =40mm的薄透镜做成一放大镜，眼瞳的薄透镜做成一放大镜，眼瞳2放放在透镜像方焦点在透镜像方焦点F1上，眼瞳直径上，眼瞳直径D2=4mm，物面放在透镜物方焦点物面放在透镜物方焦点F1上，试分析系统中的上，试分析系统中的孔径光阑、视场光阑、入瞳、入窗、物方孔径孔径光阑、视场光阑、入瞳、入窗、物方孔径角、物方视

34、场角和线视场，视场内有无渐晕？角、物方视场角和线视场，视场内有无渐晕？2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所495-4 光学系统的景深光学系统的景深（5-5）共线理论：物像平面共轭，一一对应。共线理论：物像平面共轭，一一对应。但实际中要求将但实际中要求将同时成像在同时成像在上。上。下面将讨论空间物体在同一平面上成清晰像的条件。下面将讨论空间物体在同一平面上成清晰像的条件。例如：人眼、照相机、望远镜等要求将一定空间例如：人眼、照相机、望远镜等要求将一定空间范围内的物同时成像在同一像平面上（平面上的范围内的物同时成像在同一像平面上（平面上的空间像）。空间像

35、）。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所50先介绍几个概念：先介绍几个概念：与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状的扩散开来，这个聚集所的光线聚集在一点后，再以锥状的扩散开来，这个聚集所有光线的一点，就叫做有光线的一点，就叫做。1、2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所51在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变模糊，形成在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变模糊，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做一个扩大的圆，这个圆

36、就叫做。2、2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所523、 指在保持影像较为清晰的前提下，弥散斑沿着镜头光轴所指在保持影像较为清晰的前提下，弥散斑沿着镜头光轴所允许移动的距离称为允许移动的距离称为2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所531B2z1B2B2z1z2B AA1z平面平面A经光组后的共轭像平面经光组后的共轭像平面A。B1、B2位于位于A平面之外，则平面之外，则B1、B2也必位于像平面也必位于像平面A之外。之外。 B1、B2在物平面上的弥散斑在物平面上的弥散斑为为z1、z2，在像平面上得到弥散斑，在像

37、平面上得到弥散斑Z1、Z2。如果人眼无法分辨。如果人眼无法分辨弥散斑的大小，则可以认为弥散斑的大小，则可以认为B1 、 B2在像面上成清晰像。在像面上成清晰像。入瞳入瞳出瞳出瞳DD2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所54abab和和a a，b b 的大小和入射光瞳的直径有关，的大小和入射光瞳的直径有关，入射光瞳直径减少，弥散斑也随之减小入射光瞳直径减少，弥散斑也随之减小 入瞳入瞳出瞳出瞳BB1abB01B2B3B4PPAB04B03B02B2”B3”B4”B1”B4B3B2ABabB12022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与

38、质量工程研究所55问题问题:当当入射光瞳一定时时，在物空间间有多大深度范围围的物体能在景象平面上成清清晰像？任何光接收器都不能接受到真正的几何像点，任何光接收器都不能接受到真正的几何像点，且分辨本领也不一样，因此只要像的弥散斑且分辨本领也不一样，因此只要像的弥散斑足够小并能满足接受器的分辨本领，就可认足够小并能满足接受器的分辨本领，就可认为这个弥散斑是一个点。为这个弥散斑是一个点。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所56一个光学系统应能对一个光学系统应能对一定的物一定的物空间范围空间范围成一个清晰的成一个清晰的平面像。平面像。能在像平面上获得清晰像并

39、沿光轴能在像平面上获得清晰像并沿光轴方向的方向的物空间范围物空间范围称为称为成像空间深成像空间深度度(景深景深)。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所57设在设在B1点和点和B2点之间的物空间内各点均能在像平点之间的物空间内各点均能在像平面面A成清晰像。成清晰像。ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z12022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所58l1=p1-p称为称为后景深后景深；l2=p-p2称为称为前景深前景深总景深总景深l=l1+l2=p1-p2为前后景深之

40、和为前后景深之和ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z12022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所59A为为对准平面对准平面，其对应的是，其对应的是景像平面景像平面All1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z12022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所60ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1能成清晰像的能成清晰像的最远最远平面（平面（B1）称为）称为远景远景能成清晰像的能成清晰

41、像的最近最近平面（平面（B2）称为）称为近景近景 p p1 1: :远景距远景距 p p2 2: :近景距近景距2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所6111z z22z zll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1 是共轭平面的横向放大率，是共轭平面的横向放大率，D、D分别为入瞳与出瞳的直径。分别为入瞳与出瞳的直径。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所62DpppzpppDz111111DpppzpppDz222222ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z

42、1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z12022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所63111ppz Dp222pppDzll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z12022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所64人在看图片时，一般是把图片放在眼前人在看图片时，一般是把图片放在眼前250mm处，被称为处，被称为明视距离明视距离M若弥散斑在明视距离对眼睛的张角若弥散斑在明视距离对眼睛的张角小于小于最小最小分辨角分辨角，看上去就是一点。看上去就是一点。人眼的最小分辨角人眼的最小分

43、辨角在明视距离上，可以认为：在明视距离上，可以认为：2211zzMzz2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所65由于由于222111pppDzpppDz2211zDpDpzDpDp25021zz25025021DpDpDpDp2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所66则后景深为：则后景深为：25025011Dpppl前景深为：前景深为：25025022Dpppl总景深为：总景深为：2221250500DpDlll。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所672222505

44、00pDfpDfl由于一般情况摄距由于一般情况摄距p比物镜焦距大得多，则比物镜焦距大得多，则pfxf则前后景深分别变为：则前后景深分别变为：pDfpl25025022和和pDfpl25025021总景深变为：总景深变为：2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所68D与与；2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所69F16F2.0从从DF=f 可知，若想获得较大的景深需要较大的光圈指可知，若想获得较大的景深需要较大的光圈指数数F。 当共轭面的当共轭面的一定时，一定时， f 越长，则对准平面越远，越长，则对准平面越远，

45、则则p越大，景深越大。越大，景深越大。2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所70例 有一摄摄影物镜镜，若要求对对准平面后的空间间均能在景像平面上成清清晰像，问问前景深为为多少？近景位于何处处？ 解：欲使解：欲使l1 1为无限大，其公式的分母为零，由为无限大，其公式的分母为零，由 将将p p值代入前景深公式，就可得到前景深和近景距：值代入前景深公式，就可得到前景深和近景距：MDfp MDfl22MDflpp222MpDfMpl212022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所71例： 照相机物镜镜焦距为为75mm，在对对

46、准平面离相机2m时时，所用的光圈指数为数为11和5.6；设设眼睛分辨率为为1.5，求这两种这两种情况况下的景深大小？ 当当F=11时时，其入瞳D为为 当当F=5.6时时，其入瞳D为为mm.F fD4136575mm.F fD8261175m.MpDfMpl48121m.MpDfMpl6022m.lpp48311m.lpp4122m.lll08221m.MpDfMpl36022m.MpDfMpl55021m.lpp55211m.lpp64122m.lll910212022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所725-5 远心光路远心光路（5-35-3） 这类仪器

47、是光学系统有一定的放大率，使被测这类仪器是光学系统有一定的放大率，使被测物的像和标准刻尺相比，求被测物体的长度，物的像和标准刻尺相比，求被测物体的长度，如如工具显微镜工具显微镜等计量仪器。等计量仪器。在光学仪器中，很大一部分仪器用来测在光学仪器中，很大一部分仪器用来测量长度。量长度。 2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所73采用光学方法测量长度原理：采用光学方法测量长度原理：yA AB yB物镜分划板已知系统放大倍率，分划板带有刻度，置于物镜已知系统放大倍率，分划板带有刻度，置于物镜实像平面上，其读数代表了物体的长度；实像平面上，其读数代表了物体的长

48、度；yy2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所74llyy（1）分划板与物镜之间距离）分划板与物镜之间距离(像距像距)固定；固定；（2）物距也必须调整为定值；）物距也必须调整为定值；才可使物镜的放大率保持常数才可使物镜的放大率保持常数yA AB yB物镜分划板要求：要求：2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所75这种测量方法的这种测量方法的测量精度测量精度在很大程度上取决于测量在很大程度上取决于测量系统与被测工件距离以及像平面与分划板平面的重系统与被测工件距离以及像平面与分划板平面的重合程度。合程度。yA AB yB物镜分划板2022-3-19 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所76 实际测量中，很难做到每次测量调焦很准确！镜实际测量中，很难做到每次测量调焦很准确！镜头与工件距离即物距不同导致像平面位置改变！头与工件距离即物距