应用光学课件第四章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,光学系统中的光束限制,4-1,光学系统中的光阑,一、概 述,成像要求：,1),对给定的物体在给定的共轭距离上按要求的倍率成像；,2),具有给定的成像范围；,3),具有一定的光度水准，即有一定的亮度；,4),具有一定的分辨本领，反应物体一定的细节。,1),决定了系统的轴向尺寸，,2),决定于系统的视场，,34),决定于成像光束的立体角或孔径角。,24),可归纳为：,光学系统应对成像范围以内的物点以要求孔径角的光束成像。,理想光学系统：,对无限大物体以任意宽的光束成像。,实际光学系统：,由于光学零件的尺寸和镜筒大小限制，成像光束宽度和成像范围是有限的。不同的光学系统，对成像范围和成像光束的要求是不同的。因此，如何确定光学系统的成像范围、合理选择成像光束对实际光学系统而言，是非常重要的。,几款摄影物镜,反远距广角摄影物镜,f,=97.4mm,2,w,=84,D/,f,=1:1.2,超广角物镜,f,=100mm,2,w,=110,D/,f,=1:4,天塞型物镜,f,=299.12mm;2,w,=20,;D/,f,=1:4.5.,二、光阑及其种类,1,光 阑,系统中,限制成像光束大小和范围,的通光孔：镜框或专设孔,一般为圆形，也有方形，个别其他形状。,相机：,可变光阑,光阑平面垂直于光轴，中心位于光轴上。,2,光阑的种类,根据光阑的性质与作用，光阑可分为：,孔径光阑,限制成像光束的立体角，在子午面内就是限制轴上点成像光束中边缘光线的最大倾斜角,-,光束孔径角。,孔阑,(,瞳孔,),视场光阑,限制物体成像范围的大小。,场阑,(,窗口,),这是两种主要光阑，一般系统都存在,(,伽俐略望远镜除外,),。,渐晕光阑,部分遮拦轴外物点的成像光束，使轴外物体的成像光束比轴上点小，亮度有所降低。,(,目的,),消杂光光阑,遮拦非成像的杂散光：视场外的物体发出的光、镜头内部“透,-,反”或“反,-,透”、金属内壁反射和散射的光。,=,内壁车消光螺纹并氧化发黑吸收杂散光、专设消杂光光阑。,三、光阑位置的确定,场阑：,相对固定，通常为系统或其中间实像面上的镜框或设置的专用光阑，如照相机的底片框、分划板框等。,孔阑：,其位置随系统而异，有些系统对其位置有特定要求：,目镜或目视系统：,孔阑或其实像在外，眼瞳与之重合，接受系统出射的全部成像光束；一般把眼瞳也当一个光阑考虑。,远心光路：,孔阑必须设置在系统的焦面上。,其他情况：孔阑位置的合理选择，有助于改善轴外物体的成像质量、减小后方光组的通光孔径。,四、入射光瞳与出射光瞳,孔径光阑可能位于系统前面，也可能位于后面，还可能位于中间。为方便讨论系统物像方光束限制的具体情况，我们定义：,入射光瞳：,孔径光阑经过其前面部分的光学系统在整个系统的物方空间所成的像，主要限制系统物方空间中物点发出光束的孔径角。简称,入瞳,。,出射光瞳：,孔径光阑经过其后面部分的光学系统在整个系统的像方空间所成的像，主要限制系统像方空间中到达像点的光束的孔径角。简称,出瞳,。,入瞳,出瞳,孔阑,A,1,A,1,A,2,A,2,孔阑、入瞳与出瞳的关系：,入瞳与孔阑相对于孔阑前的部分光组共轭；,出瞳与孔阑相对于孔阑后的部分光组共轭；,因此，出瞳与入瞳相对于整个光学系统共轭。,五、入射光窗与出射光窗,视场光阑可能位于系统前面，也可能位于后面，还可能位于中间。为方便讨论系统物像方光束限制的具体情况，我们定义：,入射光窗：,视场光阑经过其前面部分的光学系统在整个系统的物方空间所成的像，主要限制系统物方空间中物体成像的范围。简称,入窗,。,出射光窗：,视场光阑经过其后面部分的光学系统在整个系统的像方空间所成的像，主要限制系统像方空间中成像的范围。简称,出窗,。,当然：,实际起视场限制作用的是视场光阑。,场阑、入窗与出窗的关系：,入窗与场阑相对于场阑前的部分光组共轭；,出窗与场阑相对于场阑后的部分光组共轭；,因此，出窗与入窗相对于整个光学系统共轭。,六、视场角,物方视场角：,入窗对入瞳中心的张角,2,，表示物方成像范围的大小；,像方视场角：,出窗相对于出瞳中心的张角,2,，表示像方成像范围的大小。,主光线：,通过入瞳（孔阑、出瞳）中心的光线。因此，视场角为相应主光线与光轴的夹角。,入瞳,出瞳,孔阑,出窗,场阑,入窗,P,P,Q,-,-,-,l,z,-l,l,y,-y,l,z,七、渐晕与渐晕光阑,渐晕：,轴外物点发出的充满入瞳的光线被部分地遮拦的现象。,导致轴外物点的成像光束小于轴上物点，边缘像比中心暗。,渐晕光阑：,产生渐晕的光阑。一般为孔阑与场阑之外的其他光学元件的镜框。,渐晕与视场：,在不设场阑的系统,(,伽俐略望远镜,),中，视场由渐晕光阑确定，即视场与渐晕大小有关。,渐晕系数,k,：,轴外点与轴上点通过孔阑的光束直径之比为,线渐晕系数,，面积之比为,面渐晕系数,。,入瞳,出瞳,孔阑,P,P,Q,-,-,k,=,D,/,D,八、视场与渐晕的关系,我们看到：视场越大，渐晕越大。可以断定：视场大到一定程度，轴外物点充满入瞳的光束将会被渐晕光阑全部拦掉。,物空间的渐晕：以一个渐晕光阑的情况为例。,A,B,1,B,2,B,3,M,2,M,1,M,P,2,P,P,1,入瞳,渐晕光阑,物面,可见：,AB,1,：,k,=100%;,B,1,B,2,：,k,=10050%;,B,2,B,3,：,k,=500%;B,3,-,：,k,=0,。,最大视场：,规定渐晕系数后由渐晕光阑决定。,4-2,典型光学系统的光束限制,一、照相系统中的光束限制,1,、照相系统的组成,照相镜头：,对物体成像；,可变光阑,（光圈）：,改变成像光束的宽度，调节,光能量以适应不同的照明条件；,感光底片：,记录物体的像,(,形成潜像，显影、定影,反转像,);,2,、照相系统中的光阑设置,孔径光阑,：设置在镜头中间，如当薄透镜对待,(,初始计算时,),，可认为与镜头重合；,入瞳、出瞳。,视场光阑,：与底片重合，底片框为视场光阑。,入窗、出窗。,3,、照相系统的光束结构,孔阑与镜头重合,入瞳、出瞳与孔阑三者重合，这时物体成像无渐晕。,光窗,孔径位于镜头后面,入瞳为虚像，在镜头右边，出瞳与孔阑重合，成像有渐晕。,二、望远系统的光束限制,1,、望远系统的组成,物镜、目镜、分划板、棱镜,(,转像、折转光路,),。,2,、光阑的位置,开普勒望远镜系统,：场阑为分划板边框，入窗与物重合在,无限远，出窗像重合在像方无限远。孔阑位置可：,与物镜重合,位于物镜前,位于物镜后,出瞳位于目镜像方焦点外靠近焦点的地方，观察时人眼与之重合。,伽俐略望远系统,：,不能设置视场光阑，眼瞳为孔阑,(,出瞳,),，物镜框和目镜框起到渐晕光阑作用。,光瞳衔接原则：,两个光学系统联用时，,前一系统的出瞳与后一系统的入瞳重合,，,否则会产生光束切割，即前一系统的成像光束中有一部分被后面的系统拦截不能参与成像。,出瞳距：,目视系统与人眼联用，人眼的入瞳即是眼瞳。为满足光瞳衔接原则，目视系统的出瞳在目镜后，而且到目镜像方主面应保持一定距离，这个距离即称出瞳距,(,l,z,),。,镜目距：,目镜最后一面顶点到出瞳的距离,(,p,),：,一般系统：,p,6mm,；,军用系统：,p,20mm,；,枪瞄系统：,p,可达,40mm,。,P,H,H,p,l,z,三、显微系统中的光束限制,显微系统的光阑设置：,孔径光阑：一般情况下，设置为物镜框；,视场光阑：分划板框。,提问：,入瞳、出瞳、入窗、出窗各在哪里？,孔阑,场阑,出瞳,物镜,目镜,B,1,C,1,四、远心光路,在测量显微镜中，,分划板,(,场阑,),与物镜固定以保证设计的放大倍率。孔阑设置为物镜框，调焦不准，像面与分划板不重合，产生测量误差。,孔阑,物镜,场阑,y,y,1,B,C,B,1,C,1,B,C,A,A,物镜,场阑,y,y,1,B,C,B,1,C,1,B,C,B,1,C,1,物方远心光路：,为减小测量误差，将孔阑设置在物镜的像方焦平面上：入瞳何在？,主光线平行光轴入射，不同位置物点的出射主光线方向不变。尽管成像光束在分划板上为一弥散斑，但其中心位置不变，故不会产生测量误差。,孔阑,F,像方远心光路,在经纬仪、水准仪等大地测量仪器中，,物镜的放大率随测量标尺位置的不同而异。将一已知刻度的标尺置于望远镜物镜前被测距离处，物镜后面分划板平面上刻有一对间隔为已知的测距丝，,如果,孔阑与物镜重合，则调焦,(,目镜与分划板一起相对物镜移动,),不准，像与分划板不重合，就会引入测量误差。,如果将,孔阑设在物镜的物方焦面上,，则通过孔阑中心的主光线经过物镜后均平行于光轴，即出瞳在像方,。,在测量光学系统中尽量考虑远心光路。,b,b,B,C,五、转像系统与场镜,有时系统中为加长光路或转像的需要，在系统中间加入转像系统，从而实现加长筒长并使整个系统成正像的目的。,很显然：,转像系统,的加入，使得后续光组（目镜）的孔径增大、像质变差；,为了缩小转像系统和目镜的孔径，在物镜像面上增加上一个光组，压低轴外光线的孔径，这个位于像面上或像面附近的镜组称为,场镜,。,物镜,(,孔阑,),场镜,转像系统,目镜,出瞳,4-3,光学系统的景深,一、光学系统的空间像,对平面物体成像的系统：,电影放映物镜、制版物镜及投影仪等。,对空间物体成像的系统：,可以在同一像平面上得到物空间中远近不同的物点的清晰像,-,平面上的空间像,：望远镜、照相物镜、摄影系统等。,从物像共轭上看空间像与平面物体的像是有本质的不同：“一对一”和“多对一”、成像原则也不尽一样。,1,空间物体的平面像,景像平面,对准平面,空间点的平面像：,以入瞳中心点,P,为透视,(,投影,),中心，将空间点沿主光线方向向对准平面投影，投影点在景像平面上的共轭点。,B,04,B,4,B,02,B,03,B,2,B,3,B,1,B,01,a,b,P,P,B,1,B,2,B,3,B,A,B,4,B,4,B,2,B,3,B,1,b,a,A,B,入瞳,出瞳,S,1,(S,2,),S,1,2,、透视失真和景像畸变,透视失真,当投影中心,(,入瞳中心,),前后移动时,投影像的变化与景物不成比例,这种现象叫,透视失真,。,当入瞳位于,P,0,时，空间物点,S,1,和,S,2,在景像平面上的平面像，即其共轭像在景像平面上相对出瞳中心的投影,S,1,和,S,2,是分开的。而当入瞳移至,P,位置时，,S,1,和,S,2,的平面像却是重合在一起的。这种入瞳中心移动导致空间物点的平面像点之间关系的变化与景物之间的关系不成比例，即为透视失真。,S,2,S,2,S,1,对准平面,景像平面,对准平面,景像平面,A,入瞳,出瞳,P,P,入瞳,出瞳,P,0,P,0,S,1,S,2,A,A,A,景像畸变：,当系统视场很大,(,如广角物镜,),，设物体为一系列球状物，这些球状物对入瞳中心,P,构成一系列圆锥状光束，它们的共轭光束也是圆锥状光束，该圆锥状光束在景像平面上的投影即为球状物的平面像。显然，它随视场角,的不同而异，这种现象就是景像畸变。,入瞳,出瞳,P,P,二、光学系统的景深,1,、,景深的基本概念,理想光学系统理论：,物空间的一个平面物在像空间只有一个像面与之共轭。,实际光学系统：,对准平面外的空间物点在景像平面上的“像”是一个弥散斑，只要该弥散斑小于一定限度，仍可认为是一个点像。因为任何接受器（如眼睛、感光乳剂、光电接收器件等）都不是完善的，存在缺陷。当弥散斑小到接收器无法分辨时，该弥散斑对接收器而言就是一个清晰的像点。,景深的概念：,由于接收器的缺陷，当入瞳大小一定时，能在景像平面上成清晰像的物方空间深度叫做,景深,。能成清晰像的最近和最远物面叫做,近景,平面,和,远景,平面,，它们到对准平面的距离分别为,近景深度,和,远景深度,。,二、光学系统的景深,2,、景深的大小,远景,近景,对准平面,A,景像平面,A,B,1,B,2,p,2,p,p,1,-p,1,-p,2,-p,2,1,B,1,B,2,z,1,z,2,z,2,z,1,出瞳,P,P,2,P,1,入瞳,P,P,1,P,2,2,a,可见：物空间中对准平面外的物点,B,1,和,B,2,在景像平面上的像为一弥散斑，只要这些弥散斑正好不为接受器所分辨，则过,B,1,和,B,2,点垂直于光轴的平面分别为,远景平面,和,近景平面,。,B,1,B,2,之间的距离即为,景深,。可见确定景深，首先要确定弥散斑的大小。,设对准平面和景像平面上的弥散斑直径分别为,z,1,、,z,2,和,z,1,、,z,2,则有：,z,1,=,z,1,z,2,=,z,2,由图中相似三角形的关系，有：,由此得：,所以：,可见：景像平面上弥散斑大小除与入瞳直径有关，还与对准平面、远景平面和近景平面的位置有关。,确定允许的弥散斑直径主要考虑：,光学系统的用途和接受器的性质,。,光电接收系统：,允许的弥散斑大小为光电接收器件光敏元的大小。,设,z,1max,=,z,2max,=,z,，并考虑,=,-,f,/,x,f,/,p,，则：,于是远景深度、近景深度和系统景深分别为：,可见：当景像平面上允许的弥散斑大小确定后，景深与系统入瞳直径、焦距和对准平面的位置有关。,2,a,，,f,，；,p,，；,1,2,。,出瞳,入瞳,对准平面,景像平面,普通照相物镜：,(1),若照片上各点弥散斑对人眼的张角小于人眼极限分辨角,(,12,),，则认为图像清晰；,(2),允许弥散斑的大小还与人眼到照片的距离有关。,正确透视距离：,为获得正确的空间感觉，照片上图像的各点对人眼的张角与直接观察空间各对应点时点对人眼的张角应相等。,根据这一条件，可得：,D,=-,y,p,/,y,=-,p,于是可得到景像平面上弥散斑的允许值：,z,=,z,1,=,z,2,=,D,=-,p,而对准平面上弥散斑的允许值为：,z,=,z,1,=,z,2,=,z,/,=-,p,由此可见：,对准平面上弥散斑对入瞳中心的张角也不应超过人眼的极限分辨角,。,P,P,2,P,1,P,P,2,P,1,A,p,p,D,A,R,U,B,y,U,B,-y,3),景 深,确定了对准面上所允许的弥散斑直径，便可以确定系统的景深了。因为远景和近景距离,(,相对于入瞳）为：,所以远景深度,1,和近景深度,2,(,这里,p,1,、,p,2,、,p,均以绝对值代入,),为：,将,z,=,z,1,=,z,2,=p,代入上式得,：,可见，相同条件下,(2,a,、,p,、,),，,远景深度,1,大于近景深度,2,。,于是，总的成像深度，即系统景深,为：,若用孔径角,U,表示,2,a,，则,2,a,=2,p,tg,U,代入上式得：,该式表明：入瞳直径越小，即孔径角越小，景深越大。这就是拍照时，缩小光圈可以获得较大空间深度的清晰像的缘故。,下面对远景和近景深度,1,、,2,的讨论。,有下列两种情况：,1),p=,2,a/,时，,1,=,这表明：,入瞳对对准平面中心张角等于人眼极限分辨角,时，远景深度无限大，,即对准平面以后的整个空间都能在景像平面上成清晰像，这时，近景位置,p,2,为：,因此：调焦至,p=,2,a/,处，在景像平面上可以得到入瞳前,p,2,=a/,处平面以外整个空间的清晰像，此时,p,1,=,。,2),p,=,时,：,可见：调焦至,p,=,时，可得到在入瞳前,p,2,=2,a,/,的平面开始到无限远的物空间的清晰象。和,1),比较可知，调焦至无限远时的景深要小一些。,【,例题,】,设某光电成像系统物镜,f,=50mm,，,D,/,f,=1/4,，即,2,a,=,D,=12.5mm,，设,z,=0.05mm,。,1,）若调焦至,p,=5m,处，则,p,1,=8.33m,，,1,=3.33m,；,p,2,=3.57m,，,2,=1.43m,；,=4.76m,。,2,）使对准平面后的空间都能成完善像，即,1,=,，则对准平面：,p,=2,a,/,f,=12.5m,；,近景平面位置：,p,2,=,p,/2=6.25m,这表明：,对准,12.5m,处的物体时，,6.25m,以远的物空间都能成清晰像。,3,）调焦至无限远，即,p,=,时，近景平面位于：,p,2,=2,a,/,f,=12.5m,即：对准无限远时，,12.5m,以远能成像清晰。这表明：,将物镜调焦至无限远并不能获得最大景深！,补充题：,CANON 5D,光敏面大小为,35.8*23.9mm,最大像素数为,4368*2912,，如果配上,50mm/1.2,的定焦镜头，分别对,2m,和,5m,外的物体拍摄，计算用,1.2,、,4.0,、,8.0,和,16.0,光圈数的景深。,本章小结,一、光阑的作用与种类,孔径光阑,(,入瞳、出瞳,),、视场光阑,(,入窗、出窗,),、渐晕光阑、消杂光光阑。,二、常用系统孔径光阑位置的设定,望远系统,伽俐略、开普勒,、显微系统、摄影,(,像,),系统、转像系统,远心光路（物方、像方）,三、渐晕光阑与视场的关系,渐晕系统与视场,四、景 深,空间物体的平面像,(,景像平面与对准平面,),透视失真与景像畸变,景深与孔径、焦距、对准面位置及允许弥散斑大小的关系。,光阑与物镜重合,若目镜通光孔径较大，则物体成像无渐晕；,若目镜通光孔径较小，则物体成像有渐晕；,为了减小目镜的通光孔径，或改善轴外成像质量，可产生一定的渐晕。,返 回,出瞳,孔阑,物镜,场阑,目镜,光阑在物镜前,出瞳更靠近目镜的像方焦点；,若物镜和目镜通光孔径较大，则物体成像无渐晕；,若物镜孔径较小，则产生渐晕：孔阑越远，渐晕越大，目镜渐晕越小；,当孔阑位于物镜物方焦点时，会有什么特点？,返 回,出瞳,孔阑,物镜,场阑,目镜,光阑在物镜后,出瞳向后移动，出瞳距变大；,若物镜和目镜通光孔径较大，则物体成像无渐晕；,若物镜和目镜通光孔径较小，则产生渐晕：孔阑越向后，渐晕越大；,返 回,出瞳,场阑,孔阑,物镜,目镜,入瞳,伽俐略望远系统,目镜焦距为负，不设专门的孔径光阑和视场光阑；,人眼眼瞳为孔径光阑，物镜框和目镜框起渐晕光阑作用，并限制了系统的视场；,眼瞳位置不同如何影响？,返 回,F,1,(F,2,),