应用光学第五章.ppt

1、第五章 光学系统中的光阑, 51 光阑及其作用,在设计光学系统时，应按其用途、要求，在成象范围内的各点以一定立体角的光束通过光学系统成象。这就是一个如何合理地限制光束的问题。,定义：限制光束通过光学系统的光孔。,分类：（按作用分）, 孔径光阑：限制轴上点成像光束的孔径角。（有效光阑）, 视场光阑：限制物面或像面上的物体成像范围。, 渐晕光阑：轴外光束被拦截的现象称为“渐晕”，产生渐晕 的光阑称为渐晕光阑。,组成：透镜等光学零件边框或专门设置的带孔金属框。, 52 孔径光阑,1. 作用：在光学系统中实际限制轴上物点成像光束的孔径角U。,2.图示：,孔径光阑通过前面光组在光学系统的物空间所成的像称

2、为入瞳。,孔径光阑通过后面光组在光学系统的像空间所成的像称为出瞳。,3.确定孔径光阑的方法：,原则：将光学系统中所有的光学零件的通光孔（镜框）分别通过其前面的光学零件成像到整个系统的物空间去，入射光瞳必然是其中对物面中心张角最小的一个。,1）将所有光学元件的通光孔径经前方光组成像到物空间，并求出各个光孔在物空间像的大小和位置。,a）规定光传播方向从右向左，以光孔为物，与物点发出的光线反向。,b）所有孔或框为实物。,c）利用解析法求解像的位置和大小。,2）物点在有限远时，各光孔像中，对轴上物点张角最小者，限制了轴上点光束的孔径角，即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。,3）物点在无限远时，各

3、光孔像中，直径最小者即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。,例：有两个薄透镜L1和L2 ，焦距分别为90mm和30mm，孔径分别为60mm和40mm，相隔50mm，在两透镜之间，离L2为20mm处放置一直径为10mm的圆光阑，试对L1前120mm处的轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳的位置和大小。,两正薄透镜组L1和L2的焦距分别为100mm和50mm，通光口径分别为60mm和30mm，两透镜之间的间隔为50mm，在透镜L2之前30mm处放置直径为40mm的光阑，问 1）当物体在无穷远处时，孔径光阑为哪个？ 2）当物体在L1前方300mm处时，孔径光阑为哪个？,4.说明：,1）物体位置改变，原孔阑

4、可能失去控制轴上点孔径角的作用，要重复上述三个步骤确定孔阑。,2）一般来说，入瞳在物空间，孔阑在系统中，出瞳在像空间； 但有时 光学系统第一个光孔为孔阑，入瞳与孔阑重合； 光学系统最后一个光孔为孔阑，出瞳与孔阑重合；,3）入瞳为孔阑经过前面光组在物空间的像，决定了系统轴上物点的物方孔径角。出瞳为孔阑经过后面光组在像空间的像，决定了系统轴上像点的像方孔径角。,4）对于理想光学系统，轴上和轴外物点的主光线都过入瞳、孔阑、出瞳中心。 主光线：通过入射光瞳中心的光线称为主光线。 主光线是物面上发出的充满光学系统入射光瞳的成像光束的轴线。,6）入瞳、孔阑、出瞳之间的相互共轭关系。,7）光学特性：,入射光

5、瞳直径D和整个系统焦距f之比称为该系统的相对孔径 。,相对孔径 （望远、照相系统）：,数值孔径NA（显微系统）：,当物体在很近的距离时，常用物方孔径角正弦和物空间介质折射率乘积来取代相对孔径，称为数值孔径，即,5）在保证轴上点物方孔径角不变的情况下，合理的选取孔径光阑的 位置，可提高成像质量，减小整个系统的横向尺寸。, 53 视场光阑,1.作用：限制物、像面上的成像范围。,2.视场表示方法：,物方线视场2y,像方线视场2y,长度度量：,角度度量：,物方视场角2,像方线视场2,视场光阑通过前面光组在光学系统的物空间所成的像称为入射窗。,视场光阑通过后面光组在光学系统的像空间所成的像称为出射窗。,

6、3.确定视场光阑的方法：,1）首先用寻找入瞳、孔阑的方法寻找到入瞳、孔阑。,2）将所有除孔阑外的光孔经其前方光组成像到物空间，求出每个光孔像的位置和大小。,3）各光孔像中，对入瞳中心张角最小者，像本身为入射窗，像对应的实际光孔即为视阑。视阑经过后方光组成在像空间的像即为出射窗。,4.说明：,1）孔阑位置变化，入瞳、出瞳位置也变化，原视阑可能失去限制物象方视场范围的作用，要重新确定视阑。,3）若视阑为长方形或正方形，其线视场按对角线计算。,4）入射窗、出射窗、视阑之间的相互共轭关系。,2）入窗限制物方物面上的成像范围，视场光阑是实际光学系统中限制物面成像范围的实际光孔，出窗限制像方像面范围。,

7、54 渐晕光阑,轴外光束被拦截的现象称为“渐晕”，产生渐晕的光阑称为“渐晕光阑”。渐晕光阑多是透镜框。,作用：提高轴外点成像质量，减小光学零件尺寸。,2.图示：,在物面上的整个成像范围内，随着成像光束的不同，可分为三个区域。,一、入射窗与物平面不重合产生渐晕,1.实际光学系统中，入瞳、孔阑、出瞳为有限大，有可能产生渐晕。,1）以AB1为半径的圆形区域：B1点是由入射光瞳的下边缘P2与入射窗的下边缘M2的连线与物平面的交点。在这个区域内每个点均以充满入射光瞳的全部光束成象。,2）以B1B2绕光轴旋转一周所形成的环形区域：B2点是由入射光瞳中心P和入射窗的下边缘M2的连线与物平面相交确定的。在此区

8、域内，已不能使所有点以充满入射光瞳的光束通过光学系统成象，这就是轴外点的渐晕。,用渐晕系数描述光束渐晕的程度：,线渐晕系数：,几何（面）渐晕系数：,斜光束在入射光瞳平面上垂直于光轴方向的宽度。,斜光束在入射光瞳平面上垂直于光轴方向的截面积。,由B1到B2点，线渐晕系数由1降到0.5。,3）以B2B3绕光轴旋转一周所得到的环形区域：点B3是由入射光瞳的上边缘P1和入射窗的下边缘的连线和物平面相交确定的。在此区域内各点的光束渐晕更为严重，由B2点到B3点，线渐晕系数由0.5降到0。,3.说明：,1）轴上点均能以充满入瞳的全光束成像。,2）入瞳为有限大小时，成像范围由入瞳边缘和入窗边缘连线决定。,3

9、）轴外点从某一视场范围开始，通过光学系统的成像光束要比轴上光束少，并逐渐递减，直至光照度为零。,4.消除渐晕的条件：（必要条件）,由上式可知，欲使渐晕区B1B3为零，需使p=q，即入射窗和物平面重合，出射窗和象平面重合。,在有的光学系统中，不存在实像平面，视场光阑无法与像平面重合，这种系统的视场边缘存在一个由亮到暗的过渡区域，没有清晰的视场边界。,当光学系统中透镜较多，且孔径都不大时，虽然视场光阑不起拦光作用，但其它透镜框仍可能拦光而造成渐晕。,二、其他透镜框产生的渐晕, 55 光学系统的景深,一、光学系统的空间像,1.对准面为景象面在物空间的共轭面。,2.以入瞳中心为透视中心，将空间物点沿主

10、光线方向向对准平面上投影，投影点在景象面上的共轭点即为空间点的平面像。,3.对准面和景象面上的点不算真正意义上的几何点而为斑点。,二、景深性质及计算,1. 景深：景象平面上获得清晰象的物空间深度范围。,1：远景深； 2：近景深； 12：景深,2. 景深的计算：,3. 正确透视条件：（正确透视距离下看照片）,1）像方：景象平面上的斑点对人眼张角不超过人眼极限分辨角, 取12；,2）物方：对准面上的斑点对入瞳中心张角不超过人眼极限分辨角 ，Z1=Z2=p ；,3）若 ，对准平面以后的整个空间都能在景象平面上成清晰象,4）若调焦至无穷远，即,5）说明：,a）在正确透视距离下观察，景深与焦距无关；,b

11、）远景深1大于近景深2 ；,c）入瞳直径2a越小，景深越大；,4. Z被规定不能超过某一数值。,用景象平面上共轭弥散斑大小Z取代上面中的Z，有Z Z,d）P越大，即拍摄距离越大，景深越大；,景深随光圈数的增加而增加，随焦距的增大而减小。,光圈数：,容许的光斑直径Z越大，景深越大。,说明：,例：设有一照相物镜，f=50mm，2a=12.5mm，规定Z=0.05mm。对下列情况分别求近景、远景位置及景深。 1）远景位于无穷远； 2）调焦至无穷远； 3）调焦使得P=5m。,三、景深与焦深,底片平面前后成像清晰的范围，称为焦深。, 56 远心光路,一、作用,用远心光路来提高测量精度。（投影仪物镜、测量

12、显微镜、大地测量仪等）,二、物方远心光路,1. 概念： 测量显微镜中，为了消除像平面位置的放置误差而引起的测量 误差，在物镜的像方焦平面上加入一个光阑作为孔径光阑，入瞳则 位于物方无穷远，称为“物方远心光路”。,2. 应用：（放大率一定，求被测物长度）,工具显微镜中（ 准确）被测物的像与刻度尺相比较，可测物之长度。,物体不论处于何位置，发出的主光线都不随物体位置的移动而变化；读出刻尺面上光斑的中心示值，即可求出准确的象高。,三、 象方远心光路,1. 概念： 某些大地测量仪器或投影仪器中，为了消除像平面和标尺分划刻 线面不重合而引起的测量误差，在物镜的物方焦平面上加入一个光 阑作为孔径光阑，出瞳

13、则位于像方无穷远，称为“像方远心光路”。,2. 应用：,物体长度已知，不同放大率位置求出仪器到标尺距离。, 58 几种典型系统的光束限制,一、 放大镜,二、望远系统,1.开普勒望远系统,2.伽利略望远系统,三、 显微系统,四、照相物镜,五、场镜的特性和应用,1. 定义： 光学系统中，为了改变斜光束的方向，使系统的外形尺寸减小， 在成像的像平面或像平面附近加入的一块透镜，称为场镜。,2. 性质：只改变成像光束位置，而不影响光学系统的光学特性。,（D/f 、f 、2 等）,3. 应用： 满足光学系统入瞳、出瞳位置要求，减小后透镜组通光口径。,4. 说明：,1）场镜的光焦度可从物镜的出瞳与目镜的入瞳互为物象关系 的条件中求出。