第五章-光学系统中光束限制.ppt

Chapter 5 光束限制 第五章第五章 光学系光学系统中光束限制中光束限制5.1 孔径光阑5.2 视场光阑5.3 渐晕光阑与渐晕系数5.4 光学系统的景深1.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 实际光学系统与理想光学系统不同，其参与成像的光束宽度和成像范围都是有限的。限制来自于光学零件的尺寸大小和其他金属框。从光学设计的角度看，如何合理的选择成像光束是必须分析的问题。光学系统不同，对参与成像的光束位置和宽度要求也不同。2.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 光阑-在光学系统中限制成像光束口径、或者是限制成像范围的光孔或框称为光阑。分为:孔径光阑 视场光阑 渐晕光阑BB2A1B1A2L3.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 夹持光学零件的金属框（透持光学零件的金属框（透镜框、棱框、棱镜框）限制了成像框）限制了成像光束的大小光束的大小。光孔的大小是可光孔的大小是可变化的，化的，这种光种光阑称称为“可可可可变变光光光光阑阑”。光光阑是是实际光学系光学系统成成满意（完善）像必不可少的零件。意（完善）像必不可少的零件。4.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 孔径光阑(Aperture stop)-限制成像光束立体角,决定了轴上点上点成像光束中最边缘光线的倾斜角(光束的孔径角)The aperture stop(AS)is defined to be the stop or lens ring,which physically limits the solid angle of rays passing through the system from an on-axis object point.The aperture stop limits the brightness of an image.5.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑孔径光阑对轴上点的光束和轴外光束限制L1M1N1M2N226.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制-y-UPP1P2PP1P2UyQQ2Q出射光瞳出射光瞳入射光瞳入射光瞳孔径光孔径光阑L1L2U 物方孔径角物方孔径角U 像方孔径角像方孔径角7.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 入瞳(Entrance pupil):孔径光阑被其前面的光学镜组在物空间所成的像.实际进入光学系统的光量由入瞳决定.入瞳决定了物点成像光束的最大孔径,并且是物面上各点成像光束的公共入口.8.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 出瞳(Exit Pupil):孔径光阑被其后面的镜组在系统像空间所成的像.实际离开光学系统的光量由出瞳决定.出瞳是物面上各点成像光束自系统出射时的公共出口.出瞳是入瞳经整个系统成的像.9.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 Q1Q2:孔径光阑 P1P2:入瞳入射光瞳对轴上物点A的张角P1AP2:物方孔径角U对轴上点边缘光线做光路计算时所取的孔径角为该角.通通过物点和入射光瞳中心的光物点和入射光瞳中心的光线称称为主光主光线(Chief ray)通通过物点和入瞳物点和入瞳边缘的光的光线称称为边缘光光线(marginal ray)10.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 Q1Q2:孔径光阑 P1P2:出瞳出射光瞳对像面中心点A的张角P1AP2:像方孔径角U11.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 12.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 入射光瞳经整个光学系统成的像为出射光瞳,两者对整个光学系统共轭.主光线必然通过孔径光阑中心和出瞳中心.主光主光线是物面各点是物面各点发出的成像光束的中心光出的成像光束的中心光线.通过入瞳边缘的光线也必通过孔径光阑和出瞳的边缘。光学系统中的孔径光阑只是对一定的物体而言.物体位置变化,原来的孔阑可能会失去限制光束的作用,成像光束被其他光孔限制.13.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 若孔径光阑位于系统的最前边，则系统的入瞳就是孔径光阑；若孔径光阑位于系统的最后边，则孔径光阑是系统的出瞳主光线（或主光线的延长线）必通过入瞳、孔径光阑和出瞳的中心。主光线是物面上各点成像光束的的中心线,他们构成了以入瞳中心为顶点的同心光束.14.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 确定孔径光确定孔径光阑的方法的方法1)把光具组中所有光阑当作物，逐个地相对其前方系统成像。2)由轴上物点向每个像的边缘引直线，其中与主光轴所夹锐角最小的入射孔径角对应的像即为入射光瞳，入射光瞳对应的共轭物即为孔径光阑。15.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 当当实际光光组中有多个光中有多个光阑时，确定方法，确定方法为：各个光学孔径成像到物空：各个光学孔径成像到物空间；：由物点向光：由物点向光阑像像边缘引光引光线，找出光，找出光线与光与光轴的的夹角；角；：夹角最小者所角最小者所对应的光的光阑即即为孔径光孔径光阑。确定方法可以通确定方法可以通过图解法，也可以通解法，也可以通过解析法。解析法。16.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 v例例 已知一光学系已知一光学系统由三个零件由三个零件组成，透成，透镜1其焦距其焦距 f1=-f1=100mm，口径，口径D1=40mm；透；透镜2的焦距的焦距f2=-f2=120mm，口径，口径D2=30mm，它和透，它和透镜1之之间的距离的距离为d1=20mm；光；光阑3口径口径为20mm，它和透，它和透镜2之之间的距离的距离d2=30mm。物点。物点A的的位置位置L1=-200mm，试确定确定该光光组中，哪一个光孔是孔径光中，哪一个光孔是孔径光阑。F1,F217.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 图解法解法为了使各光了使各光阑和物点和物点A产生直接生直接联系，把它系，把它们全部全部成像到物空成像到物空间去。去。18.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 由物点向各个像由物点向各个像边缘引光引光线，得到，得到夹角最小者所角最小者所对应的光的光阑即即为孔径光孔径光阑。D1D2D319.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 光学系光学系统的孔径光的孔径光阑只是只是对一定位置的物体而言的一定位置的物体而言的如果物体位置如果物体位置发生生变化，原来限制光束的孔径光化，原来限制光束的孔径光阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限制。制。对于无限于无限远的物体，光学系的物体，光学系统的所有光孔被其前面的所有光孔被其前面的光学零件在物空的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的一个所成的像中，直径最小的一个光孔像就是系光孔像就是系统的入瞳。的入瞳。20.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 在在对目目视仪器，人眼瞳孔起着限制光束的作用。因此，器，人眼瞳孔起着限制光束的作用。因此，应确保光确保光学系学系统的出瞳和人眼瞳孔在位置上重合，大的出瞳和人眼瞳孔在位置上重合，大小也小也应匹配合适。匹配合适。合理合理选择孔径光孔径光阑的位置可以改善的位置可以改善轴外点成像外点成像质量。量。21.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑 相对孔径:入射光瞳直径/系统焦距,.相对孔径A越大，表明能进入系统的光能也越多.而照相机，则常用另一个术语光阑指数，用 f 来表示，它是相对孔径的倒数，即F数(f-Number):相对孔径倒数.22.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑F数(f-Number):f/1,1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22 D 增加通光面积增加2,时间减少223.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.1 孔径光阑f/32 small aperture and slow shutter speedf/2 large aperture and fast shutter speed24.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.2 视场光阑视场光阑:起限制成像范起限制成像范围的光孔或框的光孔或框.25.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.2 视场光阑视场光阑:起限制成像范围的光孔或框.有成实像或有中间实像的系统中必有位于此实像平面上的视阑.视场入射窗:视场光阑被其前面的光学镜组在物空间所成的像.视场出射窗:视场光阑被其后面的光学镜组在像空间所成的像.入射窗必与物面重和入射窗必与物面重和,出射窗必与像面重和出射窗必与像面重和.光学系光学系统的成像范的成像范围是有限的。照相机中底片框限是有限的。照相机中底片框限制了被成像范制了被成像范围的大小的大小.26.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.2 视场光阑物方视场角:入射窗的边缘对入瞳中心的张角.像方视场角:出射窗的边缘对入瞳中心的张角.若物位于无穷远,物方视场的大小以物方视场角表示27.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 一、一、视场光光阑的确定方法：的确定方法：（2）确定）确定孔径光孔径光孔径光孔径光阑阑；（1）用）用计算法或作算法或作图法求每一光法求每一光阑被它前面光被它前面光组在物空在物空间所成的所成的像；像；像；像；由由入瞳中心入瞳中心入瞳中心入瞳中心向各光向各光阑在物空在物空间所成的像的所成的像的边缘引光引光线，夹角最小者所角最小者所对应的光的光阑即即为视场光光阑。28.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 求上例中光求上例中光组的的视场光光阑。f1=-f1=100mm，D1=40mm；f2=-f2=120mm，D2=30mm，d1=20mm；D3=20mm，d2=30mm，L1=-200mmD1D2D3F1,F229.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 求出系求出系统每一个光每一个光阑被它前面光被它前面光组在物空在物空间所成的像所成的像（此步（此步骤在在求孔径光求孔径光阑时已已经进行）行）D3（孔径光孔径光阑）D2D1D1D2F1F2D333.33w1w2w330.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 D1 对入瞳中心的入瞳中心的张角角为D2 本身是入瞳，本身是入瞳，D3对入瞳中心的入瞳中心的张角角为D3对入瞳中心的入瞳中心的张角最小，故光角最小，故光阑3是是视场光光阑。31.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 入窗限制物空入窗限制物空间的可成像范的可成像范围出窗限制像空出窗限制像空间的成像范的成像范围入窗和出窗共入窗和出窗共轭。32.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 物方物方物方物方视场视场角角角角：在：在物空物空物空物空间间中，中，入窗入窗入窗入窗边缘边缘对入瞳中心入瞳中心入瞳中心入瞳中心的的张角角2 像方像方像方像方视场视场角角角角：在：在像空像空像空像空间间中中中中，出窗出窗出窗出窗边缘边缘对出瞳中心出瞳中心出瞳中心出瞳中心的的张角角2 半半视场角角 与与也可以表示光也可以表示光组视场的大小，因此常的大小，因此常把把 与与称称为视场角。角。33.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 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，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替。尽量使入窗与物面重合，或像平面与出窗重合不产生渐晕的必要条件。视场光阑总是设置在系统的物面、实像平面或中间实像平面上。如显微镜、望远镜、照相机等都是安置在像面上，投影仪、放映机则位于物面上，视场光阑的大小分别为像面大小或是物面大小，个别仪器除外（如放大镜和伽利略望远镜等）34.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 两种光两种光阑作用的比作用的比较对孔径光孔径光阑与与视场光光阑孔径光孔径光阑限制成像光束的孔径，即决定像的照限制成像光束的孔径，即决定像的照 度、分度、分辩率。率。视场光光阑决定决定视场，即物体成像的范，即物体成像的范围。孔径光孔径光阑缩小小时，每一物点成像光束孔径角，每一物点成像光束孔径角变小，小，像面照度减小，像面照度减小，但成像范但成像范围不不变视场光光阑缩小小时，成像范成像范围变小，但能成像物点小，但能成像物点的孔径角不的孔径角不变，即像的照度不，即像的照度不变。35.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 为了改善了改善轴外点的成像，常有意外点的成像，常有意识地地缩小某一、二个透小某一、二个透镜直径，直径，挡去一部分成像光去一部分成像光线，这种被种被缩小直径的透小直径的透镜或光孔或光孔造成造成图像像边缘通光下降通光下降称称为渐晕渐晕。5.3 渐晕光阑(Vignetting Stop)36.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑(Vignetting Stop)轴外光束的渐晕 由轴外物点发出的充满入瞳的光束中部分光线被其他光孔阻挡的现象叫轴外光束的渐晕轴上与轴外物点成像光束大小不同的现象。B点发光-充满入瞳-L1 与 L2 拦光-B点成像光束较A点少-B点暗淡-图像边缘模糊径阑入瞳出瞳37.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑(Vignetting Stop)轴外光束的渐晕 此时,形成B图像的光束决定于镜框L 2.镜框L 2称为渐晕光阑.渐晕光阑通过它前面的光学系统所成的像:渐晕入射窗.渐晕光阑通过它后面的光学系统所成的像:渐晕出射窗径阑入瞳出瞳38.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑39.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑http:/toothwalker.org/optics/vignetting.html40.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑入窗（出窗）与物（像）面不重合-产生渐晕略去透镜和其他光孔,仅画出物平面、入瞳平面和渐晕光阑（与视场光阑重合）在物空间的像。在物面上按其成像光束孔径角的不同,可分为三个区域:41.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑以AB1为半径的圆形区,每个点均以充充满入瞳入瞳的全部光束成像.此区之边缘点1由入射光瞳的下边缘P2和入射窗下边缘M2的连线确定.42.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑以B1B2绕光轴旋转一周的环行区域.在此区域中,每一点不能用充满入瞳的光束成像.由B1到B2,能通过入射光瞳的光束由100%到50%渐变,这就是轴外渐晕.43.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑以B2B3绕光轴旋转一周的环行区域.在此区域中,各点的光束渐晕更严重.由B2到B3,渐晕系数由50%降到0.B3是可见势场最边缘点.由入射光瞳边缘点P1和入射窗下边缘点M2连线决定.44.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑用渐晕系数描述光束渐晕的程度.轴外点能通过光学系统的成像光束在入(出)瞳面上的截面积与入(出)瞳面积之比称面渐晕系数；轴外点能通过光学系统成像的子午光束(即含轴面内光束)在入(出)瞳面上的线度与入(出)瞳面直径之比为线渐晕系数。45.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.3 渐晕光阑不存在渐晕的条件不存在渐晕,则 B1B3=0,q=p渐晕入射窗和物平面重合(或渐晕出射窗和像平面重合)入射窗和物平面重合:成为视场入射窗46.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.4 远心光学系统47.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 二、二、远心光路心光路 1、孔径光、孔径光阑在物在物镜上上(a)(a)测距原理：距原理：(b)(b)调焦不准：焦不准：2)2)由于由于调焦不精确，引焦不精确，引 起像平面和起像平面和标尺平面尺平面 不重合，从而不重合，从而导致致测 量量误差。差。1)1)入瞳与物入瞳与物镜边框重合；框重合；48.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 远心光学系统2、孔径光、孔径光阑在物在物镜 的像方焦平面上的像方焦平面上1)入瞳位于物方无入瞳位于物方无穷远。2)A和和A1、B和和B1的主的主光光线分分别重合，且重合，且轴外点的主光外点的主光线平平行于主行于主轴。3)主光主光线是物点成像是物点成像光束的中心光束的中心轴，则物点物点A1 B1在刻尺平在刻尺平面构成的两个弥散面构成的两个弥散斑的斑的中心中心间隔隔始始终不不变。物方物方远心光路心光路(a)测距原理：距原理：(b)调焦不准：焦不准：49.Dr.F.Guo QUT Spring 2016场镜的特性及其的特性及其应用用 可以减少目可以减少目镜的口径的口径 场镜50.说明明(1)场镜 能能够改改变成像光束的位置，而不影响系成像光束的位置，而不影响系统的光学特性。的光学特性。位于像平面或者和像平面重合或者与像平面靠的很近位于像平面或者和像平面重合或者与像平面靠的很近的透的透镜。(2)场镜的特性的特性 (3)场镜经常被使用在常被使用在连续成像的成像的组合系合系统中。中。因因为其前面的光学零件所成的像正好位于其前面的光学零件所成的像正好位于场镜的主平面，的主平面，通通过场镜后所成的像和原来像的大小相等。后所成的像和原来像的大小相等。51.第一个透第一个透镜出射的光束全部出射的光束全部进入第二个透入第二个透镜，且第二个透，且第二个透镜的口径也不至于太大。的口径也不至于太大。(3)确定确定场镜的焦距的焦距 52.Chapter 5 光束限制 5.5 光学系统的景深53.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 5.5 光学系统的景深许多光学仪器中整个空间或部分空间的物点成像在一个平面上。理论上,只有空间中与像平面共轭的平面上的点才能真正成像在像平面上.，而其他点在像平面上成弥散斑。若弥散斑足小于接收仪器的分辨率或人眼睛的分辨率，则认为该点成像清晰。对一定深度的空间在同一像平面上要求所成的像清晰。像平面A:景像平面 A :对准平面54.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 B1,B2 发出充满入瞳的光束,与对准平面相交为弥散斑z1和z2.像平面上弥散斑大小与光学系统入射光瞳的大小和空间点距对准平面的距离有关.弥散斑足够小,接收器所接收的影像认为清晰,则弥散斑可以认为是空间点在平面上成的像.景深景深:能能够在相平面上在相平面上获得足得足够清晰的像的空清晰的像的空间的深度的深度.=1+2远平面:能够成足够清晰像的最远平面,1:远景深度近平面:能够成足够清晰像的最近平面,2:近景深度55.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 在同一平面成像,弥散斑线度一致为弥散斑允许值垂轴放大率z 由系统决定56.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 光学系统的远景深度1较近景深度2大,景深影响景深的因素:入瞳直径入瞳直径2a，入瞳直径越大入瞳直径越大,景深小。景深小。对准平面与入瞳的距离准平面与入瞳的距离 p，对准平面越准平面越远,景深越大。景深越大。垂垂轴放大率放大率，垂垂轴放大率小，景深越大。放大率小，景深越大。57.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 对于照相系统，Z 的确定照片上各点弥散斑对人眼的张角小于人眼极限分辨角(12)，则认为图像是清晰的。为了获得正确的空间感觉，必须要以适当的距离观察照片、即应使照片上的各像点对眼睛的张角与直接观察该空间物体时对应点对眼睛的张角相等，符合这条件的距离叫作正确透视距离，以D表示。为得到正确的透视景像平面上像y对眼睛R张角应等于物空间的共扼物y对入射光瞳中心P的张角，即58.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 景像面上的弥散斑直径为对准面上的弥散斑直径为59.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 若使对准平面后的整个空间都能在景像平面上成清晰像，即远景深度1 此时 如果把照相物镜调焦到无限远，p=,60.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 入瞳直径越大,焦距越大,景深小对准平面越远,景深越大对于照相系统,垂轴放大率可近似写为 61.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 62.Dr.F.Guo QUT Spring 2016Chapter 5 光束限制 使对准平面以后的整个空间能在景象平面上成清晰像,对准平面位置近景平面位置pp.72-73,例1-2.63.Dr.F.Guo QUT Spring 2016（一）（一）长景深的照片景深的照片64.65.66.67.（二）短景深照片（二）短景深照片68.69.70.Chapter 5 光束限制 景深与景深与镜头使用光圈、使用光圈、镜头焦距、拍焦距、拍摄距离以及距离以及对像像质的要求的要求(表表现为对容容许弥散弥散圆的大小的大小)有关。有关。这些主些主要因素要因素对景深的影响如下景深的影响如下(假定其他的条件都不改假定其他的条件都不改变)：(1)(1)、镜头光圈：光圈：光圈越大，景深越小；光圈越光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；小，景深越大；(2)(2)、镜头焦距焦距镜头焦距越焦距越长，景深越小；焦距，景深越小；焦距越短，景深越大；越短，景深越大；(3)(3)、拍、拍摄距离距离距离越距离越远，景深越大；距离越近，景深越大；距离越近，景深越小景深越小。71.Dr.F.Guo QUT Spring 2016