应用光学课件.pptx

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,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,*,应用光学课件,3、,确定孔径光阑得方法:,原则:将光学系统中所有得光学零件得通光孔(镜框)分别通过其前面得光学零件成像到整个系统得物空间去,入射光瞳必然就是其中对物面中心张角最小得一个。,1,)将所有光学元件得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得大小与位置。,a,)规定光传播方向从右向左,以光孔为物,与物点发出得光线反向。,b,)所有孔或框为实物。,c,)利用解析法求解像得位置与大小。,2,)物点在有限远时,各光孔像中,对轴上物点张角最小者,限制了轴上点光束得孔径角,即为入瞳。入瞳对应得实际光孔即为孔径光阑。,3,)物点在无限远时,各光孔像中,直径最小者即为入瞳。入瞳对应得实际光孔即为孔径光阑。,例:有两个薄透镜,L,1,与,L,2,焦距分别为,90mm,与,30mm,孔径分别为,60mm,与,40mm,相隔,50mm,在两透镜之间,离,L,2,为,20mm,处放置一直径为,10mm,得圆光阑,试对,L,1,前,120mm,处得轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳得位置与大小。,两正薄透镜组,L,1,与,L,2,得焦距分别为,100mm,与,50mm,通光口径分别为,60mm,与,30mm,两透镜之间得间隔为,50mm,在透镜,L,2,之前,30mm,处放置直径为,40mm,得光阑,问,1,)当物体在无穷远处时,孔径光阑为哪个？,2,)当物体在,L,1,前方,300mm,处时,孔径光阑为哪个？,4、,说明:,1,)物体位置改变,原孔阑可能失去控制轴上点孔径角得作用,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得像,决定了系统轴上物点得物方孔径角。出瞳为孔阑经过后面光组在像空间得像,决定了系统轴上像点得像方孔径角。4,),对于理想光学系统,轴上与轴外物点得主光线都过入瞳、孔阑、出瞳中心。,主光线:,通过入射光瞳中心得光线称为主光线。,第二近轴光线:,由物方视场边缘发出通过入射光瞳中心得近轴光线,。,5,)入瞳、孔阑、出瞳之间得相互共轭关系。,6,)光学特性:,入射光瞳直径,D,与整个系统焦距,f,之比称为该系统得相对孔径,。,相对孔径,(望远、照相系统):,数值孔径,NA,(显微系统):,当物体在很近得距离时,常用物方孔径角正弦与物空间介质折射率乘积来取代相对孔径,称为数值孔径,即,53 视场光阑,1、,作用:限制物、像面上得成像范围。,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得物空间所成得像称为入射窗。,视场光阑通过后面光组在光学系统得像空间所成得像称为出射窗。,3、,确定视场光阑得方法:,讨论条件:孔阑、入瞳、出瞳均为无穷小(特殊情况),轴上轴外物点均只有一条主光线经过光学系统成像。,1,)首先用寻找入瞳、孔阑得方法寻找到入瞳、孔阑。,2,)将所有除孔阑外得光孔经其前方光组成像到物空间,求出每个光孔像得位置与大小。,3,)各光孔像中,对入瞳中心张角最小者,像本身为入射窗,像对应得实际光孔即为视阑。视阑经过后方光组成在像空间得像即为出射窗。,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得作用,要重新确定视阑。,2,)入瞳为无限小时,视场范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。入窗限制物方物面上得成像范围,视阑就是实际光学系统中限制物面成像范围得实际光孔,出窗限制像方像面范围。,3,)当物体位于无限远时,视阑必须设置在像平面(即后焦面)上。,4,)若视阑为长方形或正方形,其线视场按对角线计算。,5,)入射窗、出射窗、视阑之间得相互共轭关系。,10,大家应该也有点累了,稍作休息,大家有疑问得,可以询问与交流,例:有一光学系统,透镜,O,1,、,O,2,得口径,D,1,=D,2,=50mm,焦距,f,1,=f,2,=150mm,两透镜间隔为,300mm,并在中间置一光孔,O,3,口径,D,3,=20mm,透镜,O,2,右侧,150mm,处再置一光孔,O,4,口径,D,4,=40mm,平面物体处于透镜,O,1,左侧,150mm,处。求该系统得孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗得位置与大小。,54 渐晕光阑,轴外光束被拦截得现象称为“渐晕”,产生渐晕得光阑称为“渐晕光阑”。渐晕光阑多就是透镜框。,作用:提高,轴外点成像质量,减小光学零件尺寸。,2、,图示:,在物面上得整个成像范围内,随着成像光束得不同,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,不为无穷小时,有可能产生渐晕。,1,)以,AB,1,为半径得圆形区域:,B,1,点就是由入射光瞳得下边缘,P,2,与入射窗得下边缘,M,2,得连线与物平面得交点。在这个区域内每个点均以充满入射光瞳得全部光束成象。,2,)以,B,1,B,2,绕光轴旋转一周所形成得环形区域:,B,2,点就是由入射光瞳中心,P,与入射窗得下边缘,M,2,得连线与物平面相交确定得。在此区域内,已不能使所有点以充满入射光瞳得光束通过光学系统成象,这就就是轴外点得渐晕。,用渐晕系数描述光束渐晕得程度:,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得宽度。,斜光束在入射光瞳平面上垂直于光轴方向得截面积。,由,B,1,到,B,2,点,线渐晕系数由,1,降到,0、5,。,3,)以,B,2,B,3,绕光轴旋转一周所得到得环形区域:点,B,3,就是由入射光瞳得上边缘,P,1,与入射窗得下边缘得连线与物平面相交确定得。在此区域内各点得光束渐晕更为严重,由,B,2,点到,B,3,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得全光束成像。,2,)入瞳为无穷小时,成像范围由入瞳中心与入窗边缘连线决定。,3,)入瞳为有限大小时,成像范围由入瞳边缘与入窗边缘连线决定。,4,)轴外点从某一视场范围开始,通过光学系统得成像光束要比轴上光束少,并逐渐递减,直至光照度为零。,4、,消除渐晕得条件:,(必要条件),由上式可知,欲使渐晕区,B,1,B,3,为零,需使,p=q,即入射窗与物平面重合,出射窗与象平面重合。,在有得光学系统中,不存在实像平面,视场光阑无法与像平面重合,这种系统得视场边缘存在一个由亮到暗得过渡区域,没有清晰得视场边界。,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、其她透镜框产生得渐晕,55 光学系统得景深,一、光学系统得空间像,1、,对准面为景象面在物空间得共轭面。,2、,以入瞳中心为透视中心,将空间物点沿主光线方向向对准平面上投影,投影点在景象面上得共轭点即为空间点得平面像。,3、,对准面与景象面上得点不算真正意义上得几何点而为斑点。,二、景深性质及计算,1、,景深:景象平面上获得清晰象得物空间深度范围。,1,:远景深;,2,:近景深;,1,2,:景深,2、,景深得计算:,3、,正确透视条件:(正确透视距离下瞧照片),1,)像方:景象平面上得斑点对人眼张角不超过人眼极限分辨角,取,1,2,;,2,)物方:对准面上得斑点对入瞳中心张角不超过人眼极限分辨角,Z,1,=Z,2,=p,;,3,)若 ,对准平面以后得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,)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,取代上面中得,Z,有,Z,Z,d,),P,越大,即拍摄距离越大,景深越大;,景深随光圈数得增加而增加,随焦距得增大而减小。,光圈数:,容许得光斑直径,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得范围,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得放置误差而引起得测量,误差,在物镜得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)被测物得像与刻度尺相比较,可测物之长度。,物体不论处于何位置,发出得主光线都不随物体位置得移动而变化;读出刻尺面上光斑得中心示值,即可求出准确得象高。,三、象方远心光路,1、,概念:,某些大地测量仪器或投影仪器中,为了消除像平面与标尺分划刻,线面不重合而引起得测量误差,在物镜得物方焦平面上加入一个光,阑作为孔径光阑,出瞳则位于像方无穷远,称为“像方远心光路”。,2、,应用:,长度已知,不同放大率位置求出仪器到标尺距离。,58 几种典型系统得光束限制,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、场镜得特性与应用,1、,定义:,光学系统中,为了改变斜光束得方向,使系统得外形尺寸减小,在成像得焦平面或焦平面附近加入得一块透镜,称为场镜。,2、,性质:只改变成像光束位置,而不影响光学系统得光学特性。,(,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,)场镜得光焦度可从物镜得出瞳与目镜得入瞳互为物象关系,得条件中求出。,2,)场镜按用途不同,可分为正场镜与负场镜。,正场镜:使整个光束靠近光轴,从而减小了后面得透镜尺寸,但出射光瞳靠近了目镜。,负场镜:使整个光束离开光轴,从而增大了后面得透镜尺寸,但出射光瞳距离增大。,