光学系统中的光阑与光束限制相关屈光学.ppt

第一节 光阑,第二节 照相系统的光阑,第三节 望远镜系统中成像光束的选择,第四节 显微镜系统中的光束限制与分析,第五节 光学系统的景深,第四章 光学系统中的光阑(Stops),第一节 光阑,1、孔径光阑的定义和作用,一、孔径光阑 (Aperture Stops), 含义1：限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。,限制成像光束和成像范围, 含义2：孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成像光束的孔径角不变。,含义3：孔径光阑的位置不同，则对应于选择轴外物点发出光束的不同部分参与成像。, 孔径光阑的定义： 1）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）； 2）选择轴外物点成像光束的位置。,2、入射光瞳与出射光瞳(Entrance and Exit pupils), Pupils： The image of the Aperture Stops,入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间） 出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）,照相机镜头中的孔径光阑,孔径光阑,孔径光阑,物像关系, 孔径光阑、入瞳与出瞳,出瞳,入瞳,孔径 光阑,1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。,2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。,3）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了 入瞳、出瞳；三者互为物像关系。,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,(1) 轴上物点的位置发生变化，孔径光阑也会变化。,(2)几个口径一定的透镜组合，判断确定的轴上物点位置的孔径光阑： 追迹光线法：过轴上物点的任一条近轴光线，求其在每个折射面的投射高度与实际口径的比值，比值最大的折射面的边框为透镜组的孔径光阑。, 成像张角比较法：,例1：已知物点A离透镜1的距离为-l1=30mm，透镜1的通光口径D1=30mm,光孔2的直径D2=22mm，像点A离透镜的距离l1=60mm，透镜与光孔之间距离为d=10mm，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。,A,B,A,B,1,2,解：判断孔径光阑：轴上物点的成像张角比较法,1）透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。,2）光孔2相对于前面透镜成像：,A,B,A,B,1,2,3）D1，D2对轴上物点A的张角：,D2的张角最小，最能限制轴上物点A的成像光束，为入瞳，即光孔2为孔径光阑，U2为物方孔径角。 光孔2后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，U2为像方孔径角。,2,(3) 孔径光阑位置的安放原则： a. 目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接（光瞳衔接原则）； b. 投影计量光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化； c. 对轴外光束像差校正； d. 各光学元件的口径匹配。, 理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。,4、主光线（Chief ray）：,出瞳,入瞳,孔径光阑,定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。, 主光线是通过孔径光阑、并参与成像的物光束的中心光线。,二、视场光阑 (Field Stops),1、视场光阑:,3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。,第二节 照相系统中的光阑,一、照相机的三个组成部分,镜头、可变光阑（孔径光阑）、感光底片/暗盒（视场光阑）,轴上物点：孔径光阑在不同 位置，对成像光束宽度的限 制作用相同：都是光束的中 间部分参与成像。,轴外物点：孔径光阑在 不同位置，参与成像光 束的空间位置不同，成 像质量不同。,轴外光束决定 孔径光阑的位置,假设：透镜口径足够大,1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。,2、渐晕系数:,（渐晕光阑）,二、渐晕光阑 （Vignetting stop）,三、照相系统的光阑总结,孔径光阑在物镜中的位置,第三节 望远镜系统中成像光束的选择,一、双目望远镜的组成,1、构成,2、光学参数,目视光学系统的视角放大率： 远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该 物体直接对眼睛张角 的正切之比。,*概念区别：角放大率,复习：第二章,3、分划板 视场光阑,分划板位于物、目两镜的共同焦面上： 入射窗、出射窗均在无穷远处， 分别与物、像面重合。,二、望远镜系统中的光束限制,1、光瞳衔接原则： 前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。, 追迹主光线 的投射高度,1）光阑在物镜的左侧10mm：,2）光阑在物镜上：,3）光阑在物镜右侧10mm：,三、望远镜系统光束限制的总结,1、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则；,2、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于6mm；,4、分划板就是视场光阑。,3、孔径光阑大致在物镜左右；,4、光阑位置对轴外光束位置的选择,第四节 显微镜系统中的光束限制和分析,一、简单显微镜系统中的光束限制,1、显微镜系统的构成,二、远心光路,1、孔径光阑在物镜上,(a) 测距原理：,(b) 调焦不准：,2) 由于调焦不精确，引 起像平面和标尺平面 不重合，从而导致测 量误差。,1) 入瞳与物镜边框重合；,2、孔径光阑在物镜 的像方焦平面上,1) 入瞳位于物方无穷远。,A和A1、B和B1的主光线分别重合，且轴外点的主光线平行于主轴。,3) 主光线是物点成像光束的中心轴，则物点A1 B1在刻尺平面构成的两个弥散斑的中心间隔始终不变。, 物方远心光路,(a) 测距原理：,(b) 调焦不准：,三、场镜的应用,缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径 必须非常大。,-1透镜转像系统：加长光路。,1、长光路显微镜系统,2、降低主光线，减小后续光路口径的办法,-1转像系统, 场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。, 效果：主光线经场镜后通过-1转像透镜中心， 从而对后面系统的口径要求最小。 场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。, 实际设计： 在-1转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。,四、显微镜系统光束选择的总结,1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；,4、长光路显微镜系统： 利用场镜达到前后系统的光瞳衔接， 减小光学零件尺寸。,2、一次实像面处安放视场光阑；,3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上 物方远心光路,第五节 光学系统的景深,同一位置不同景深的效果,一、光学系统的空间像,1、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。,对准平面,景像平面,以入瞳中心为投影中心，以各空间点的主光线为投影方向，向对准平面投影，对应投影点在景象平面上的共轭点即为空间点的平面像。, 平面上的空间像的获得：,或：在像空间以出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的主光线为投影方向，各空间像点向景象平面投影，可得空间点的平面像。,2、透视失真, 投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。,3、景像畸变,二、光学系统的景深, 成像空间的景深： 在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。,入瞳中心： 物空间参数 的起算原点,出瞳中心： 像空间参数 的起算原点,对准平面的弥散斑直径：,景像平面的弥散斑直径：,由相似三角形得：,两个因素：观测距离、极限分辨角, 正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的张角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。,眼睛,以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：,对准平面上对应弥散斑的允许值：,远景、近景到对准平面的距离：,远景、近景到入瞳的距离：,总成像深度景深,物方孔径角U：轴上物点-入瞳边缘连线与光轴的夹角。,例：照相机的原理图,光圈大小对于景深的影响,孔径光阑光圈,相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之比),例1：现有一照相机，其物镜f=75mm，现以常摄距离p=3m进行拍摄，光圈的相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之比)分别采用1/3.5和1/22，试分别求其景深。,解：,不同光圈的效果,1、使对准平面前的整个空间都能在景像平面上成清晰像：,即，远景深度：,三、特例,景深：自入瞳前距离a/处的平面起至无限远。,2、照相物镜调焦到无限远：,END4,景深：自入瞳前距离2a/处的平面起至无限远。,（对准平面）,（一）长景深的照片,（二）短景深照片,