光学系统中的光束限制

光学系统中的光束限制第1页，共45页，2023年，2月20日，星期三第三章光学系统中的光束限制由于成像理论的完善，构成了许多在科学技术和国民经济中得到广泛应用的光学系统，本章主要介绍摄像系统和望远系统。实际光学系统和理想光学系统不同，必须限制参与成像的光束宽度和成像范围以保证成像质量。其限制来自光学零件尺寸大小。光学系统不同，参与成像的光束位置和宽度要求不同。1.照相系统和光束限制2.光学系统的景深3.望远镜系统及光束的选择4.显微镜系统中光束的限制与选择第2页，共45页，2023年，2月20日，星期三单镜头反光照相机（SLR)3.1照相系统

第3页，共45页，2023年，2月20日，星期三一、摄影系统的组成

由摄影物镜和感光元件组成。二、摄影系统的光学特性参数

焦距f’，相对孔径D/f’，视场角2ω，景深。焦距决定成像的大小；相对孔径决定像面照度；视场决定成像范围。1.视场影响因素：焦距，接收器尺寸像的大小与焦距的关系：第4页，共45页，2023年，2月20日，星期三照像系统的基本结构照相系统的基本结构图由照相镜头、可变光阑和感光底片组成第5页，共45页，2023年，2月20日，星期三在拍摄远处物体时，像的大小为：在拍摄近处物体时，像的大小为：普通照相机标准镜头的焦距为50mm镜头的焦距与像的大小1.像的大小第6页，共45页，2023年，2月20日，星期三增大像距放大图像在镜头与相机之间加接圈增加像距第7页，共45页，2023年，2月20日，星期三2.视场影响因素：焦距，接收器尺寸当接收器的尺寸一定时，物镜的焦距越短，则其视场角越大，焦距越长，视场角越小。3.分辨率影响因素：物镜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内能分辨开的线对数Cy/mm表示。经验公式：理论分辨率：光圈数：物方最大视场角物镜分辨率接收器分辨率第8页，共45页，2023年，2月20日，星期三视场和焦距的关系第9页，共45页，2023年，2月20日，星期三三、照像系统的光束限制光阑：限制成像光束的光孔或限制成像范围的光孔或框，分为视场光阑和孔径光阑。孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束的光孔口径的光阑。视场光阑：限制成像范围的光阑。

不同的光学系统，由于对成像要求不同，其对光束的约束也不同，光阑在光学系统中的位置会不同。

第10页，共45页，2023年，2月20日，星期三孔径光阑的位置对光束的选择孔径光阑对轴上点光束的限制孔径光阑的位置对轴上点光束宽度成像无限制第11页，共45页，2023年，2月20日，星期三孔径光阑的位置对光束的选择孔径光阑对轴外点光束的限制孔径光阑位置对轴外点的光束宽度的成像产生较大影响MM’NN’MN第12页，共45页，2023年，2月20日，星期三

渐晕、渐晕光阑及渐晕系数透镜的边框起到“拦光”的作用即渐晕光阑渐晕系数：第13页，共45页，2023年，2月20日，星期三入瞳和出瞳孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间成的像称为入瞳，它是入射光束的入口孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统物空间成的像称为出瞳，它是出射光束的出口入瞳和出瞳第14页，共45页，2023年，2月20日，星期三视场光阑及入射窗、出射窗视场光阑经其前面的光组在物空间所成的像，称为光学系统的入射窗视场光阑经其后面的光组在物空间所成的像，称为光学系统的出射窗。第15页，共45页，2023年，2月20日，星期三孔径光阑在组合透镜中的位置第16页，共45页，2023年，2月20日，星期三四、光学系统的景深一、空间的物点成像第17页，共45页，2023年，2月20日，星期三2.光瞳和视场对成像的影响第18页，共45页，2023年，2月20日，星期三二、光学系统的景深3.正确透视条件第19页，共45页，2023年，2月20日，星期三4.光学系统的景深1.概念：

景深Δ：成像清晰的空间深度

远景深度：远景平面距对准平面的距离

近景深度：近景平面距对准平面的距离2.景深公式：由第20页，共45页，2023年，2月20日，星期三由相似三角形关系得：由此得：由：第21页，共45页，2023年，2月20日，星期三景深和焦距及孔径光阑的关系景深和焦距以及入瞳直径有关系拍摄距离和光圈数影响景深孔径光阑越小景深越大第22页，共45页，2023年，2月20日，星期三3.像面照度物体在无限远时，β＝0，则：对大视场物镜有：第23页，共45页，2023年，2月20日，星期三调节曝光量，改变成像质量第24页，共45页，2023年，2月20日，星期三二、孔径光阑孔径的调节第25页，共45页，2023年，2月20日，星期三三、摄影物镜的类型1.像差校正要求：大视场，大相对孔径需要校正轴外点和轴上点像差2.基本类型介绍普通摄影物镜，大相对孔径摄影物镜广角摄影物镜；远摄物镜变焦距物镜变焦比：焦距为：第26页，共45页，2023年，2月20日，星期三天塞物镜双高斯物镜广角物镜远摄物镜变焦物镜第27页，共45页，2023年，2月20日，星期三四、照相光学系统小结照相光学系统中根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置，大致位置在物镜的某个空气间隔中。在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅仅由孔径光阑的口径确定，而且还和渐晕光阑的口径有关。在照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或矩形等。第28页，共45页，2023年，2月20日，星期三3.2望远系统一、望远系统的结构第29页，共45页，2023年，2月20日，星期三一、望远系统的基本结构光学数据视角放大率:Γ视场角:2ω出瞳直径:D’出瞳距离lz’物镜焦距:f’物目镜焦距:f’目第30页，共45页，2023年，2月20日，星期三二、望远系统的光学参数1.视觉放大率望远镜的视角放大率与物体的位置无关，仅取决于望远系统的结构，欲增大视角放大率，必须增大物镜的焦距或减少目镜的焦距，但目镜的焦距不小于6mm，使得望远系统保持一定的出瞳距。第31页，共45页，2023年，2月20日，星期三望远系统的分辨率：按瑞利判断：按道威判断：即入射光瞳直径D越大，极限分辨率越高视觉放大率和分辨率的关系有效放大率：满足分辨要求的最小视觉放大率工作放大率：分辨角Φ

2.望远系统的分辨率艾里斑半径第32页，共45页，2023年，2月20日，星期三1.开普勒望远镜：物镜框是孔径光阑、分划板是视场光阑、出瞳、入瞳、目镜框是渐晕光阑物方视场角ω为：视场角2ω一般不超过15°2.伽利略望远镜瞳孔为孔径光阑，物镜框为视场光阑渐晕①当视场为50％渐晕（K=50%）时，其视场角

最大视场（渐晕系数K＝0）视觉放大率视场3.望远镜的视场第33页，共45页，2023年，2月20日，星期三开普勒望远镜伽利略望远镜2.其它形式的望远系统

第34页，共45页，2023年，2月20日，星期三第35页，共45页，2023年，2月20日，星期三三、望远系统中的光束限制光瞳衔接原则：前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合。孔径光阑在不同位置处的计算

1)物镜左侧10mm2)物镜上

3)物镜右侧10mm孔径光阑处于不同位置时光束的成像第36页，共45页，2023年，2月20日，星期三三、望远光学系统小结两个光学系统连用时，一般应满足光瞳衔接原则目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm望远光学系统的孔径光阑大致在物镜左右可放分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。第37页，共45页，2023年，2月20日，星期三3.3显微镜系统中的光束限制与分析一、简单显微镜系统的光束限制远心光路二、场镜的应用场镜场镜的作用：压低光线，减小后续光阑光瞳直径第38页，共45页，2023年，2月20日，星期三第39页，共45页，2023年，2月20日，星期三第40页，共45页，2023年，2月20日，星期三三、显微镜光学系统小结一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微镜上，一次实像面处安置系统的视场光阑。显微系统用于测长等目的时，为了消除测量误差，孔径光阑安放在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远心光路”在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径。第41页，共45页，2023年，2月20日，星期三二、光学系统的景深4.例题设入射光瞳直径为当把对准平面调焦在无穷远处时，求近景位置，若使远景平面无限远，求对准平面和近景位置。若使求远景和近景的深度和位置。第42页，共45页，2023年，2月20日，星