工程光学郁道银课件

工程光学

第4章-2

光学系统中的光阑

与光束限制工程光学

第4章-2

光学系统中的光阑

与光束限制1本章内容提要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六节数码照相机镜头的景深（自学）本章内容提要第一节光阑2

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、构成转像物镜、目镜的共同焦面上第三节望远镜系统中成像光束的选择32、光学参数★视觉放大率：★视场角：★物镜焦距：★目镜焦距：★出瞳直径：★出瞳距离：望远镜系统简化图与人眼联用,满足光瞳衔接原则2、光学参数★视觉放大率：★视场角：★物4★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★目视光学系统的视角放大率：*概念区别：角放大率复习：第二章53、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。望远镜系统简化图出瞳入瞳3、分划板——视场光阑分划板位于物、目两镜的共同焦面上：6hz物hz目hz分1）物镜的左侧10mm；2）物镜上；3）物镜右侧10mm。2、孔径光阑的位置：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hz物hz目hz分1）物镜的左侧10mm；2、孔径光阑的位置7望远镜系统的光阑位置实际系统中，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lz>6mm望远镜系统的光阑位置实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔8hz物hz目hz分1）光阑在物镜的左侧10mm（ω=4.25°）：

正切计算法hz物hz目hz分1）光阑在物镜的左侧10mm（ω=4.2592）光阑在物镜上：

正切计算法2）光阑在物镜上：103）光阑在物镜右侧10mm：

正切计算法3）光阑在物镜右侧10mm：正切计算法11通光口径计算（表4-1）

h为轴上点边缘光线投射高度（平行光线）通光口径计算（表4-1）h为轴上点边缘光线投射高度（平行光12三、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(1)(1)(2)(3)(3)(2)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13

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、显微镜系统的构成第四节显微镜系统中的光束限制和分析14二、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；二、远心光路1、孔径光阑在物镜上(a)测距原理：(b)152、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A1B1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：2、孔径光阑在物镜1)入瞳位于物方无穷远。A和A1、B和B16三、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、长光路显微镜系统三、场镜的应用17

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。

★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。2、降低主光线，18场镜的应用场镜的应用19四、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20第五节光学系统的景深同一位置不同景深的效果第五节光学系统的景深同一位置不同景深的效果21一、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。对准平面景像平面共轭一、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22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：★对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。弥散斑的直径与入瞳直径、与景象平面的距离有关。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。以入瞳中心为投影中心，以各空间点的主光23

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。

远景平面近景平面入瞳中心：物空间参数的起算原点出瞳中心：像空间参数的起算原点二、光学系统的景24★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★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25★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睛的张角相等。眼睛以下推导不考虑正负号以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：★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26★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：★景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值★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27★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。眼睛2a★总成像深度——景深★物方孔径角U：轴上物点-入瞳边缘连线与28例：照相机的原理图例：照相机的原理图29光圈大小对于景深的影响光圈大小对于景深的影响30对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大31孔径光阑——光圈相对孔径D/f′(入瞳直径与焦距之比)孔径光阑——光圈相对孔径D/f′(入瞳直径与焦距之比)32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：例1：现有一照相机，其物镜f′=75mm，现以常摄距离p=333F/3.5不同光圈的效果F/11F/32F/3.5不同光圈的效果F/11F/32341、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/ε处的平面起至无限远。（对准平面）近景位置：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，35

2、照相物镜调焦到无限远：END4★景深：自入瞳前距离2a/ε处的平面起至无限远。（对准平面）近景位置：2、照相物镜调焦到无限远：END4★景深：自入瞳36（一）长景深的照片（一）长景深的照片37工程光学郁道银课件38工程光学郁道银课件39工程光学郁道银课件40（二）短景深照片（二）短景深照片41工程光学郁道银课件42工程光学郁道银课件43工程光学郁道银课件44作业-1图3-2作业-1图3-245作业-2

第4章课后习题4作业-2

第4章课后习题446工程光学

第4章-2

光学系统中的光阑

与光束限制工程光学

第4章-2

光学系统中的光阑

与光束限制47本章内容提要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六节数码照相机镜头的景深（自学）本章内容提要第一节光阑48

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、构成转像物镜、目镜的共同焦面上第三节望远镜系统中成像光束的选择492、光学参数★视觉放大率：★视场角：★物镜焦距：★目镜焦距：★出瞳直径：★出瞳距离：望远镜系统简化图与人眼联用,满足光瞳衔接原则2、光学参数★视觉放大率：★视场角：★物50★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★目视光学系统的视角放大率：*概念区别：角放大率复习：第二章513、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。望远镜系统简化图出瞳入瞳3、分划板——视场光阑分划板位于物、目两镜的共同焦面上：52hz物hz目hz分1）物镜的左侧10mm；2）物镜上；3）物镜右侧10mm。2、孔径光阑的位置：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hz物hz目hz分1）物镜的左侧10mm；2、孔径光阑的位置53望远镜系统的光阑位置实际系统中，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lz>6mm望远镜系统的光阑位置实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔54hz物hz目hz分1）光阑在物镜的左侧10mm（ω=4.25°）：

正切计算法hz物hz目hz分1）光阑在物镜的左侧10mm（ω=4.25552）光阑在物镜上：

正切计算法2）光阑在物镜上：563）光阑在物镜右侧10mm：

正切计算法3）光阑在物镜右侧10mm：正切计算法57通光口径计算（表4-1）

h为轴上点边缘光线投射高度（平行光线）通光口径计算（表4-1）h为轴上点边缘光线投射高度（平行光58三、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(1)(1)(2)(3)(3)(2)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59

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、显微镜系统的构成第四节显微镜系统中的光束限制和分析60二、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；二、远心光路1、孔径光阑在物镜上(a)测距原理：(b)612、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A1B1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：2、孔径光阑在物镜1)入瞳位于物方无穷远。A和A1、B和B62三、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、长光路显微镜系统三、场镜的应用63

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。

★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。2、降低主光线，64场镜的应用场镜的应用65四、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66第五节光学系统的景深同一位置不同景深的效果第五节光学系统的景深同一位置不同景深的效果67一、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。对准平面景像平面共轭一、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68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：★对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。弥散斑的直径与入瞳直径、与景象平面的距离有关。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。以入瞳中心为投影中心，以各空间点的主光69

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。

远景平面近景平面入瞳中心：物空间参数的起算原点出瞳中心：像空间参数的起算原点二、光学系统的景70★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★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71★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睛的张角相等。眼睛以下推导不考虑正负号以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：★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72★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：★