工程光學(xué) 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制PPT課件

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1、 4.1 光闌 4.2 照相系統(tǒng)中的光闌 4.3 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束限制 4.4 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析 4.5 光學(xué)系統(tǒng)的景深第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制第1頁/共75頁組成光學(xué)系統(tǒng)的所有零件都有組成光學(xué)系統(tǒng)的所有零件都有一定的尺寸大小一定的尺寸大小 實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)除了應(yīng)滿足前述的實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)除了應(yīng)滿足前述的物象共軛位置關(guān)系和成像放大率物象共軛位置關(guān)系和成像放大率的的要求外，還要有一定的要求外，還要有一定的成像范圍成像范圍 沒有對光學(xué)零件的大小加以限制沒有對光學(xué)零件的大小加以限制 第2頁/共75頁 通常光學(xué)系統(tǒng)中用一些中心開孔的薄金通常光學(xué)系統(tǒng)

2、中用一些中心開孔的薄金屬片來合理地限制成像光束的寬度、位屬片來合理地限制成像光束的寬度、位置和成像范圍。這些限制成像光束和成置和成像范圍。這些限制成像光束和成像范圍的薄金屬片稱為光闌。像范圍的薄金屬片稱為光闌。 如果光學(xué)系統(tǒng)中安放光闌的位置與光學(xué)如果光學(xué)系統(tǒng)中安放光闌的位置與光學(xué)元件的某一面重合，則光學(xué)系統(tǒng)的邊框元件的某一面重合，則光學(xué)系統(tǒng)的邊框就是光闌就是光闌 4-1 光闌光闌 第3頁/共75頁光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用：光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用：決定像面的照度。決定像面的照度。 決定系統(tǒng)的視場。決定系統(tǒng)的視場。 限制光束中偏離理想位置限制光束中偏離理想位置的一些光線，用以改善系的一些光線，用以改

3、善系統(tǒng)的成像質(zhì)量統(tǒng)的成像質(zhì)量 攔截系統(tǒng)中有害的雜散光。攔截系統(tǒng)中有害的雜散光。第4頁/共75頁光闌分為：光闌分為：孔徑光闌視場光闌消雜光光闌漸暈光闌第5頁/共75頁一、孔徑光闌(Aperture Stops) 它是限制軸上物點(diǎn)成像光束立體角（錐角）的光闌。 也就是起到?jīng)Q定能通過光學(xué)系統(tǒng)的光（即像平面照度）作用的光闌。第6頁/共75頁 含義含義2 2：孔徑光闌的位置不同，但孔徑光闌的位置不同，但都起到了對軸上物點(diǎn)成都起到了對軸上物點(diǎn)成像光束寬度的限制作用像光束寬度的限制作用；只需相應(yīng)的改變光闌大小，即可保；只需相應(yīng)的改變光闌大小，即可保證軸上物點(diǎn)成像光束的孔徑角不變。證軸上物點(diǎn)成像光束的孔徑角不

4、變。第7頁/共75頁 含義含義3 3：孔徑光闌的位置不同，則對應(yīng)于孔徑光闌的位置不同，則對應(yīng)于選擇軸外物點(diǎn)選擇軸外物點(diǎn)發(fā)出光束的不同部分參與成像發(fā)出光束的不同部分參與成像。 孔徑光闌的定義：孔徑光闌的定義：1 1）限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋唬┫拗戚S上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋? 2）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。第8頁/共75頁2 2、入射光瞳與出射光瞳、入射光瞳與出射光瞳( (Entrance and Exit pupils) Pupils： The image of the Aperture Stops入射光瞳：入射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其前面

5、光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）孔徑光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）出射光瞳：出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）照相機(jī)鏡頭中的孔徑光闌第9頁/共75頁F 孔徑光闌F 孔徑光闌物像關(guān)系物像關(guān)系后面后面光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)入瞳入瞳出瞳出瞳孔徑光闌孔徑光闌前面前面光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)整整個個光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng)第10頁/共75頁 孔徑光闌、入瞳與出瞳孔徑光闌、入瞳與出瞳1L2LQ1Q2Q)U2Q1QQ2Q1QQAyBAyB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔徑孔徑光闌光闌(U1 1）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。2 2）

6、出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。）出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。3 3）孔徑光闌：實(shí)際起對光束限制作用的元件，決定了）孔徑光闌：實(shí)際起對光束限制作用的元件，決定了 入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。第11頁/共75頁3 3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個問題、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個問題(1)(1) 軸上物點(diǎn)的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會變化。軸上物點(diǎn)的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會變化。 (2)(2)幾個口徑一定的透鏡組合幾個口徑一定的透鏡組合，判斷，判斷確定的軸上物點(diǎn)位置確定的軸上物點(diǎn)位置的孔徑光闌：的孔徑光闌：追跡光線法：追跡光線法：過軸上物點(diǎn)的任一條近軸

7、光線，求其在每過軸上物點(diǎn)的任一條近軸光線，求其在每個折射面的投射高度與實(shí)際口徑的比值，個折射面的投射高度與實(shí)際口徑的比值，比值最大比值最大的折射的折射面的邊框?yàn)槊娴倪吙驗(yàn)橥哥R組的孔徑光闌透鏡組的孔徑光闌。第12頁/共75頁 成像張角比較法：成像張角比較法： 1L2LQ1Q2Q) U2Q2L1QQAa. a. 將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（各個透鏡和光圈等），對其前面將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（各個透鏡和光圈等），對其前面 的光學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；的光學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；b. b. 由物位置（軸上點(diǎn)）向各像邊緣、第一個透鏡邊緣分別由物位置（軸上點(diǎn)）向各像邊緣、第一個透鏡邊緣

8、分別 作連線，求張角最小值即為入瞳，相應(yīng)的共軛物為孔徑作連線，求張角最小值即為入瞳，相應(yīng)的共軛物為孔徑 光闌；光闌；c. c. 孔徑光闌對后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。孔徑光闌對后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。A A第13頁/共75頁例1：已知物點(diǎn)A離透鏡1的距離為-l1=30mm，透鏡1的通光口徑D1=30mm,光孔2的直徑D2=22mm，像點(diǎn)A離透鏡的距離l1=60mm，透鏡與光孔之間距離為d=10mm，試確定這個系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。ABAB12解：判斷孔徑光闌：軸上物點(diǎn)的成像張角比較法1）透鏡1框內(nèi)孔相對于前面光學(xué)系統(tǒng)的像與自身重合。2）光孔2相對于前面透鏡成像：1

9、1222222260,3020;10,202044llfldfllDDDmml 透鏡焦距：光孔關(guān)于透鏡的像：，；像的大小：111llf2第14頁/共75頁ABAB12111221223026.5652 ( 30)2()4423.7492 (3020)DUarctglarctgDUarctgllarctg 3）D1，D2對軸上物點(diǎn)A的張角： D2的張角最小，最能限制軸上物點(diǎn)A的成像光束，為入瞳，即光孔2為孔徑光闌，U2為物方孔徑角。 光孔2后面無透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，U2為像方孔徑角。1)U2)U22(U第15頁/共75頁(3) (3) 孔徑光闌位置的安放原則：孔徑光闌位置的安放原則：a.

10、a. 目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接（光瞳銜接原則）（光瞳銜接原則）；b. b. 投影計(jì)量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化投影計(jì)量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化, ,要要求系統(tǒng)的出瞳或入瞳位于無限遠(yuǎn)處；求系統(tǒng)的出瞳或入瞳位于無限遠(yuǎn)處；c. c. 對軸外光束像差校正；對軸外光束像差校正；d. d. 各光學(xué)元件的口徑匹配。各光學(xué)元件的口徑匹配。第16頁/共75頁 理想光學(xué)系統(tǒng)：主光線必然通過入瞳及出瞳的中心理想光學(xué)系統(tǒng)：主光線必然通過入瞳及出瞳的中心。4、主光線（、主光線（Chief ray）：）：定義：離軸物點(diǎn)發(fā)出的、通過孔徑光闌中心的光線。 主光

11、線是主光線是通過孔徑光闌通過孔徑光闌、并、并參與成像的物光束參與成像的物光束的的中心光線中心光線。1L2LQ1Q2Q2Q1QQ2Q1QQABACB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔徑光闌孔徑光闌入瞳中心是所有主光線的交點(diǎn)。入瞳中心是所有主光線的交點(diǎn)。 第17頁/共75頁二、視場光闌二、視場光闌 (Field Stops) 1 1、視場光闌、視場光闌: :定義：定義：在物在物/ /像面上安放的、限定光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌。像面上安放的、限定光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌。物方視場：能夠清晰成像的物面范圍；物方視場：能夠清晰成像的物面范圍； 像方視場：相應(yīng)的能夠清晰成像的像面范圍；像方視場：相應(yīng)的能夠清晰成像的像面范圍

12、； 接收面或中間實(shí)像面上的分劃板。接收面或中間實(shí)像面上的分劃板。攝影系統(tǒng)：像面的大小決攝影系統(tǒng)：像面的大小決定視場角定視場角2W2W的大小的大小 望遠(yuǎn)鏡：中間實(shí)像面上分劃板的望遠(yuǎn)鏡：中間實(shí)像面上分劃板的大小決定視場角大小決定視場角2W2W的大小的大小 第18頁/共75頁2 2、入射窗與出射窗、入射窗與出射窗入射窗：入射窗：視場光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）視場光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）出射窗：出射窗：視場光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）視場光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）3 3、視場光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。、視場光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系

13、。第19頁/共75頁第二節(jié)第二節(jié) 照相系統(tǒng)中的光闌照相系統(tǒng)中的光闌 一、照相機(jī)的三個組成部分一、照相機(jī)的三個組成部分 鏡頭、可變光闌（孔徑光闌）、感光底片（視場光闌）鏡頭、可變光闌（孔徑光闌）、感光底片（視場光闌）第20頁/共75頁光圈英文名稱為光圈英文名稱為ApertureAperture，用來控制透過鏡頭進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量，是，用來控制透過鏡頭進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量，是相機(jī)一個極其重要的指標(biāo)參數(shù)，通常在鏡頭內(nèi)。它的大小決定著通過鏡頭進(jìn)相機(jī)一個極其重要的指標(biāo)參數(shù)，通常在鏡頭內(nèi)。它的大小決定著通過鏡頭進(jìn)入感光元件的光線的多少。表達(dá)光圈大小用入感光元件的光線的多少。表達(dá)光圈大小用F F值，其

14、中，值，其中，F(xiàn)=F=鏡頭的焦距鏡頭的焦距/ /鏡頭鏡頭的有效口徑的直徑。的有效口徑的直徑。 光圈光圈 F F 值越小，通光孔徑越大，在同一單位時間內(nèi)的進(jìn)光量便越多，而且上值越小，通光孔徑越大，在同一單位時間內(nèi)的進(jìn)光量便越多，而且上一級的進(jìn)光量剛好是下一級的兩倍，例如光圈從一級的進(jìn)光量剛好是下一級的兩倍，例如光圈從F8F8調(diào)整到調(diào)整到5.6 5.6 ，進(jìn)光量便多一，進(jìn)光量便多一倍，我們也說光圈開大了一級。對于消費(fèi)型數(shù)碼相機(jī)而言，光圈倍，我們也說光圈開大了一級。對于消費(fèi)型數(shù)碼相機(jī)而言，光圈 F F 值常常介值常常介于于 f2.8 - f11f2.8 - f11。 第21頁/共75頁曝光曝光: :

15、相機(jī)的感光元件在有限的時間（快門速度時間）內(nèi)接受光，相機(jī)的感光元件在有限的時間（快門速度時間）內(nèi)接受光，并成像，這個過程叫做曝光。感光元件，膠片時代是指的膠片，并成像，這個過程叫做曝光。感光元件，膠片時代是指的膠片，數(shù)碼時代指的是感光元件數(shù)碼時代指的是感光元件CCDCCD或或CMOSCMOS。 曝光過度曝光過度: :指由于光圈開得過大、底片的感光度太高或曝光指由于光圈開得過大、底片的感光度太高或曝光時間過長所造成的影像失常。時間過長所造成的影像失常。 第22頁/共75頁第23頁/共75頁光圈優(yōu)先:指由機(jī)器自動測光系統(tǒng)計(jì)算出曝光量的值，然后根據(jù)你選定的光圈大小自動決定用多少的快門。手動設(shè)置光圈值

16、，由測光結(jié)果自動調(diào)整快門速度。使用光圈優(yōu)先模式的目的是，使用者可以自己控制景深。在風(fēng)景攝影中，當(dāng)使用者希望近處和遠(yuǎn)處的畫質(zhì)都要清晰，而快門速度并不重要的時候，需要設(shè)定一個較小的光圈值。在人物攝影中，相機(jī)使用者更希望一個較大的光圈值，使得人物的背景失焦，用以強(qiáng)調(diào)人物主題而淡化背景。 使用光圈優(yōu)先的另一個目的是讓相機(jī)選擇快門速度，以防止不恰當(dāng)?shù)钠毓鈺r間。在風(fēng)景攝影中，使用者當(dāng)為瀑布拍照時，會選用較大的光圈值，也就是較小的光圈配合較長快門時間，使得瀑布的水滴變得模糊。但當(dāng)在較暗的燈光下攝影時，一個較小的光圈值，也就是獲得更大的光圈，使更多的光線進(jìn)入鏡頭。設(shè)置方法:第24頁/共75頁速度控制:在同一環(huán)

17、境下，光圈和快門是相輔相成的，光圈越大，進(jìn)入的光線就越多，所需的快門時間就越短，反之，光圈越小，快門速度就越慢，因而可以通過光圈來調(diào)節(jié)快門。與快門優(yōu)先區(qū)別:快門優(yōu)先用于你對快門有要求的時候，如你拍攝高速運(yùn)動的物體，快門必須要快一些，所以你控制快門，由相機(jī)控制光圈。需要注意的是，光圈的可調(diào)范圍小于快門，所以用快門優(yōu)先時，如果你把快門調(diào)得太快或太慢，相機(jī)是沒有辦法正確曝光的。 第25頁/共75頁 軸上物點(diǎn)：孔徑光闌在不同 位置，對成像光束寬度的限 制作用相同：都是光束的中 間部分參與成像。軸外物點(diǎn)：孔徑光闌在 不同位置，參與成像光 束的空間位置不同，成 像質(zhì)量不同。軸外光束決定軸外光束決定 孔徑光

18、闌的位置孔徑光闌的位置假設(shè)：透鏡口徑足夠大假設(shè)：透鏡口徑足夠大 M N MNA A第26頁/共75頁軸外物點(diǎn)發(fā)出并充滿入瞳的光束不一定能全部通過系統(tǒng)，還可能受到遠(yuǎn)離孔闌的光孔的阻攔，這就是攔光。請觀察，當(dāng)視場逐漸增大時，軸外點(diǎn)發(fā)出充滿孔闌的光束被前后兩個透鏡所攔，其中上光線被第2個透鏡攔，下光線被第1個透鏡攔。軸外點(diǎn)的實(shí)際成像光束孔徑要比軸上點(diǎn)小。 二、漸暈光闌二、漸暈光闌 （Vignetting stop） 第27頁/共75頁1、漸暈現(xiàn)象：、漸暈現(xiàn)象：像平面的像平面的邊緣邊緣比中間暗比中間暗（離軸物點(diǎn)）（離軸物點(diǎn)）。一個系統(tǒng)可以有0到2個漸暈光闌。 第28頁/共75頁 B1的成像光束不被攔，

19、B2的成像光束主光線以下被攔，B3發(fā)出的光線只有一條通過，B3以下不能成像。 第29頁/共75頁第30頁/共75頁2、漸暈系數(shù)、漸暈系數(shù): DDK用漸暈系數(shù)表示漸暈嚴(yán)重的程度 想一想：是否所有光學(xué)系統(tǒng)都要無漸暈？ 漸暈光闌是否只有一個？關(guān)于問題：當(dāng)孔徑和視場都較大時，無漸暈既無必要也不可能。因?yàn)檫h(yuǎn)離孔闌的透鏡直徑不能做得太大，且適當(dāng)攔掉偏離理想成像狀態(tài)較遠(yuǎn)的即像差較大的軸外光束有利于改善像質(zhì)。關(guān)于問題：單向攔光相當(dāng)于孔闌位于光學(xué)系統(tǒng)之外。但孔闌在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部時，可能有兩個漸暈光闌，一個攔上光線，另一個攔下光線。特別是全對稱系統(tǒng)，必有兩個漸暈光闌。第31頁/共75頁 三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié)三、照

20、相系統(tǒng)的光闌總結(jié)3 3、感光底片邊框，即視場光闌；、感光底片邊框，即視場光闌；1 1、根據(jù)軸外光束的像質(zhì)選擇孔徑光闌位置；、根據(jù)軸外光束的像質(zhì)選擇孔徑光闌位置；2 2、軸外點(diǎn)成像光束寬度取決于孔徑光闌、漸暈光闌均有關(guān)；、軸外點(diǎn)成像光束寬度取決于孔徑光闌、漸暈光闌均有關(guān)；4 4、孔徑光闌一般為圓形，視場光闌為圓形或者矩形。、孔徑光闌一般為圓形，視場光闌為圓形或者矩形?？讖焦怅@在物鏡中的位置孔徑光闌在物鏡中的位置第32頁/共75頁望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是以平行光入射，再以平行光出射的系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)為有限大小焦點(diǎn)在有限距離，焦距021得由fff焦距為無窮大焦點(diǎn)、主點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)，fHFHf

21、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)作為一個光組的構(gòu)成最簡單的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)至少有兩個獨(dú)立光組，第一光組的像方焦點(diǎn)與第二光組的物方焦點(diǎn)重合21FF21FF第33頁/共75頁、一、放大率2211ffff 221()ff12tan1tanfUUf 望遠(yuǎn)鏡的三種放大率均與物距無關(guān)，僅與二光組的焦距有關(guān)12，各放大率的關(guān)系保持不變21FF21FF第34頁/共75頁可正可負(fù)。，一般210) 1 (ff物經(jīng)望遠(yuǎn)鏡成縮小像1|無實(shí)像面，不能測量成正像，用于觀察，但像系統(tǒng)便于測量，必要時加倒成倒像，觀察不便，但0022ff無關(guān)為定值，與物距、系統(tǒng)一定，則l) 3(時在|)2(21ff2211ffff 221()ff12tan1tanfUU

22、f 第35頁/共75頁 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇 1 1、構(gòu)成、構(gòu)成轉(zhuǎn)像轉(zhuǎn)像物鏡、目鏡的物鏡、目鏡的共同焦面上共同焦面上第36頁/共75頁2、光學(xué)參數(shù)、光學(xué)參數(shù)6o28 30視覺放大率視覺放大率： 視場角：視場角： 108mmf物18mmf 目物鏡焦距：物鏡焦距： 目鏡焦距：目鏡焦距： 5mmD 出瞳直徑：出瞳直徑： 11mmzl 出瞳距離：出瞳距離： 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖DDf 物f目與人眼聯(lián)用與人眼聯(lián)用,滿足滿足光瞳銜接原則光瞳銜接原則第37頁/共75頁目視光學(xué)系統(tǒng)的目視光學(xué)系統(tǒng)的視角放大率：視角放大率： 遠(yuǎn)處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對眼睛張角遠(yuǎn)處物體經(jīng)系

23、統(tǒng)所成的像對眼睛張角 的正切，與該的正切，與該物體直接對眼睛張角物體直接對眼睛張角 的正切之比。的正切之比。tantan *概念區(qū)別：角放大率概念區(qū)別：角放大率12tantanff 第38頁/共75頁3、分劃板、分劃板 視場光闌視場光闌分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：入射窗、出射窗均在無窮遠(yuǎn)處，入射窗、出射窗均在無窮遠(yuǎn)處，分別與物、像面重合。分別與物、像面重合。tantanff 物目ffDDff物物目目DD 30mmDD 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖DDf 物f目出出瞳瞳入入瞳瞳tan8yfmm 物第39頁/共75頁1）物鏡的左側(cè)）物鏡的左側(cè)10mm；2

24、）物鏡上；）物鏡上；3）物鏡右側(cè)）物鏡右側(cè)10 mm 。2 2、孔徑光闌的位置：、孔徑光闌的位置：二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光束限制二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光束限制 1 1、光瞳銜接原則：、光瞳銜接原則： 前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合。前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合。 追跡主光線 的投射高度第40頁/共75頁1 1）光闌在物鏡的左側(cè)）光闌在物鏡的左側(cè)10mm10mm：oooootg(4.25 )10mm tg(4.25 )0.75mmtg(4.25 )8mm0.75tgtg(4.25 )tg(4.25 )108tg()tg9.25mmtg20.zzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhd Uhff

25、UhhtgUtgUUfflhtgU 物分物物物物目目物物物物物目目目目物目目目目；5mm. tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計(jì)算法正切計(jì)算法第41頁/共75頁ooooootg(4.25 )0tg(4.25 )0tg(4.25 )8mmtgtg(4.25 )tg(4.25 )tg0()tg(4.25 )9.36mmtg21mmzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhdUffhhtgUtgUUfflhtgU 物分物物物物目目物物物目目目目物目目目目；2）光闌在物鏡上：）光闌在物鏡上： tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計(jì)算法正切計(jì)算法第42

26、頁/共75頁3 3）光闌在物鏡右側(cè)）光闌在物鏡右側(cè)10mm10mm： ooztg(4.25 )11 tg(4.25 )0.82mmzhl物8mmzh分9.51mmzh目21.3mmzlz11111mm10108zll111zllf物tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計(jì)算法正切計(jì)算法第43頁/共75頁三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)1 1、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則；、兩光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則；2 2、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于6mm6mm；4 4、分劃板就是視場光闌

27、。、分劃板就是視場光闌。3 3、孔徑光闌大致在物鏡左右；、孔徑光闌大致在物鏡左右； 4 4、光闌位置對軸外光束位置的選擇、光闌位置對軸外光束位置的選擇(1)(1)(2)(3)(3)(2)第44頁/共75頁 第四節(jié)第四節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析析 一、簡單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制一、簡單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制 1、顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成第45頁/共75頁物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路 在光學(xué)儀器中，很大一部分儀器用來測量長度 一類儀器是光學(xué)系統(tǒng)有一定放大率，使被測物的像和標(biāo)準(zhǔn)刻尺相比，求被測物體的長度，如工具顯微鏡等計(jì)量儀器。 另一類儀器是把一標(biāo)尺放在不同的位

28、置，光學(xué)系統(tǒng)改變放大率，使標(biāo)尺的像等于一個已知值，來求儀器到標(biāo)尺間距離，如大地測量儀器中的視距測量。 二、遠(yuǎn)心光路二、遠(yuǎn)心光路第46頁/共75頁 在工具顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)像平面上，放置已知刻度值的透明刻尺（稱為分劃板） 分劃板上刻尺的格值已考慮了物鏡的放大率 按此方法測量，刻尺與物鏡之間的距離應(yīng)保持不變，使物鏡的放大率保持常數(shù) 這種測量方法的測量精度在很大程度上取決于像平面與刻尺平面的重合程度。 分劃板物鏡yBAyAB第47頁/共75頁1、孔徑光闌在物鏡上、孔徑光闌在物鏡上(a) (a) 測距原理：測距原理：(b) (b) 調(diào)焦不準(zhǔn)：調(diào)焦不準(zhǔn)：2) 2) 由于調(diào)焦不精確，引由于調(diào)焦不精確，引

29、起像平面和標(biāo)尺平面起像平面和標(biāo)尺平面 不重合，從而導(dǎo)致測不重合，從而導(dǎo)致測 量誤差。量誤差。1) 1) 入瞳與物鏡邊框重合；入瞳與物鏡邊框重合；第48頁/共75頁2、孔徑光闌在物鏡、孔徑光闌在物鏡 的像方焦平面上的像方焦平面上1) 入瞳位于物方無窮遠(yuǎn)。入瞳位于物方無窮遠(yuǎn)。2) A和和A1、B和和B1的主的主光線分別重合，且光線分別重合，且軸外點(diǎn)的主光線平軸外點(diǎn)的主光線平行于主軸。行于主軸。3) 主光線是物點(diǎn)成像主光線是物點(diǎn)成像光束的中心軸，則光束的中心軸，則物點(diǎn)物點(diǎn)A1 B1在刻尺平在刻尺平面構(gòu)成的兩個彌散面構(gòu)成的兩個彌散斑的斑的中心間隔中心間隔始終始終不變。不變。 物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路

30、(a) 測距原理：測距原理：(b) 調(diào)焦不準(zhǔn)：調(diào)焦不準(zhǔn)：第49頁/共75頁三、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)三、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；2、一次實(shí)像面處安放視場光闌；、一次實(shí)像面處安放視場光闌；3、測長顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上、測長顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上 物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路第50頁/共75頁第五節(jié)第五節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的景深光學(xué)系統(tǒng)的景深第51頁/共75頁第52頁/共75頁理論上，只有共軛的物平面才能在像平面上成理論上，只有共軛的物平面才能在像平面上成清晰像，其他物點(diǎn)所成的像均為彌散斑。但當(dāng)此斑清晰像，其他物

31、點(diǎn)所成的像均為彌散斑。但當(dāng)此斑對眼睛的張角小于眼睛的最小分辨角對眼睛的張角小于眼睛的最小分辨角1 1時，人眼看時，人眼看起來仍為一點(diǎn)。此時，該彌散斑可認(rèn)為是空間點(diǎn)在起來仍為一點(diǎn)。此時，該彌散斑可認(rèn)為是空間點(diǎn)在平面上的像。平面上的像。想一想：為什么看許多照片時感覺遠(yuǎn)近都清楚？想一想：為什么看許多照片時感覺遠(yuǎn)近都清楚？同一位置不同景深的效果同一位置不同景深的效果第53頁/共75頁一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像1、平面上的空間像：、平面上的空間像：空間點(diǎn)成像于一個像平面上。空間點(diǎn)成像于一個像平面上。對準(zhǔn)平面對準(zhǔn)平面景像平面景像平面共軛共軛 對準(zhǔn)平面外的空間點(diǎn)，在景象平面產(chǎn)生一個彌散斑。對準(zhǔn)

32、平面外的空間點(diǎn)，在景象平面產(chǎn)生一個彌散斑。彌散斑的直徑與彌散斑的直徑與入瞳直徑入瞳直徑、與景象平面的距離與景象平面的距離有關(guān)。有關(guān)。第54頁/共75頁2、透視失真、透視失真 投影中心前后移動，所得投影像與景物不成比例。投影中心前后移動，所得投影像與景物不成比例。 第55頁/共75頁3、景像畸變、景像畸變 第56頁/共75頁pp1p1p2p2p 二、光學(xué)系統(tǒng)的景深二、光學(xué)系統(tǒng)的景深 成像空間的景深：成像空間的景深： 在景象平面上所獲得的成清晰像的在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度物空間深度。 遠(yuǎn)景遠(yuǎn)景平面平面近景平面近景平面12 入瞳中心：入瞳中心：物空間參數(shù)物空間參數(shù)的起算原點(diǎn)的起算原點(diǎn)

33、 出瞳中心：出瞳中心：像空間像空間參數(shù)的起算原點(diǎn)第57頁/共75頁對準(zhǔn)對準(zhǔn)平面的彌散斑直徑：平面的彌散斑直徑：12z z11zz 22zz 景像景像平面的彌散斑直徑：平面的彌散斑直徑：1112pppaz2222pppaz由相似三角形得：由相似三角形得：1112pppaz2222pppaz1112ppzap 2222ppzap 1212, ,z za p p p 12,z z是否可以看做一個幾何點(diǎn)，取決于其對觀測元件的張角！兩個因素：觀測距離、極限分辨角兩個因素：觀測距離、極限分辨角第58頁/共75頁11112zapzpp21222zapzpp遠(yuǎn)景、近景到對準(zhǔn)平面的距離：遠(yuǎn)景、近景到對準(zhǔn)平面的距

34、離：11121222pzpzazaz 1122zaapp2222zaapp1112ppzap2222ppzap遠(yuǎn)景、近景到入瞳的距離：遠(yuǎn)景、近景到入瞳的距離：12 景深第59頁/共75頁可見，焦距短景深大，對準(zhǔn)平面遠(yuǎn)景深大，入瞳直徑小則景可見，焦距短景深大，對準(zhǔn)平面遠(yuǎn)景深大，入瞳直徑小則景深大，且遠(yuǎn)景深大于近景深。深大，且遠(yuǎn)景深大于近景深。 12ZZZZ考慮到對和的要求相同，fx又,pZpfpx Zf當(dāng)物很遠(yuǎn)時，1222,22apfapfppafpZafpZ得2211222122222,2244p Zp ZppppafpZafpZaf p Za fp Z 第60頁/共75頁想一想：是否對準(zhǔn)平面

35、越遠(yuǎn)景深越大？想一想：是否對準(zhǔn)平面越遠(yuǎn)景深越大？ 以上公式是否各種系統(tǒng)都適用？以上公式是否各種系統(tǒng)都適用？ 攝影時怎樣控制景深？攝影時怎樣控制景深？ 關(guān)于問題關(guān)于問題 設(shè)焦距設(shè)焦距50mm50mm，入瞳直徑，入瞳直徑12.5mm12.5mm，要求彌散斑，要求彌散斑Z=0.05 Z=0.05 當(dāng)當(dāng) 時，時， 此時此時 當(dāng)當(dāng) 時，時， 有有 第二種情況景深更大。所以要景深大，應(yīng)使遠(yuǎn)景平面在無窮遠(yuǎn)。第二種情況景深更大。所以要景深大，應(yīng)使遠(yuǎn)景平面在無窮遠(yuǎn)。關(guān)于問題 僅前兩組公式是普適的，后面的公式 僅適用于攝影系統(tǒng)。pf第61頁/共75頁例：照相機(jī)的原理圖例：照相機(jī)的原理圖第62頁/共75頁 孔徑光闌

36、孔徑光闌光圈光圈第63頁/共75頁F/3.5不同光圈的效果不同光圈的效果F/11F/32第64頁/共75頁（一）長景深的照片（一）長景深的照片 要拍攝大景深的照片，如遠(yuǎn)景鏡頭，應(yīng)選擇短焦距、要拍攝大景深的照片，如遠(yuǎn)景鏡頭，應(yīng)選擇短焦距、小的相對孔徑即大的光圈數(shù)，對準(zhǔn)距離遠(yuǎn)。小的相對孔徑即大的光圈數(shù)，對準(zhǔn)距離遠(yuǎn)。 第65頁/共75頁第66頁/共75頁第67頁/共75頁第68頁/共75頁（二）短景深照片（二）短景深照片 要拍攝小景深的照片，如特定鏡頭，應(yīng)選擇長焦距、大的相要拍攝小景深的照片，如特定鏡頭，應(yīng)選擇長焦距、大的相對孔徑即小的光圈數(shù)，對準(zhǔn)距離近。對孔徑即小的光圈數(shù)，對準(zhǔn)距離近。 第69頁/

37、共75頁第70頁/共75頁第71頁/共75頁第72頁/共75頁73 第四章第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制1.1.什么是孔徑光闌什么是孔徑光闌( (作用作用) )、入瞳、出瞳、孔徑角？、入瞳、出瞳、孔徑角？它們的關(guān)系如何？它們的關(guān)系如何？ 2.2.什么是視場光闌什么是視場光闌( (作用作用) )、入窗、出窗、視場角？、入窗、出窗、視場角？它們的關(guān)系如何？它們的關(guān)系如何？ 3.3.什么是漸暈、漸暈光闌、漸暈系數(shù)？漸暈光闌和什么是漸暈、漸暈光闌、漸暈系數(shù)？漸暈光闌和視場光闌的關(guān)系如何？視場光闌的關(guān)系如何？ 4.4.系統(tǒng)中光闌的判斷方法如何？系統(tǒng)中光闌的判斷方法如何？第73頁/共75

38、頁5.5.照照相相系系統(tǒng)統(tǒng)的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)怎怎樣？樣？成成像像關(guān)關(guān)系系和和光光束束限限制制情情況況? ? 6.6.望望遠(yuǎn)遠(yuǎn)系系統(tǒng)統(tǒng)的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)怎怎樣？樣？成成像像關(guān)關(guān)系系和和光光束束限限制制情情況況? ? 7.7.顯顯微微系系統(tǒng)統(tǒng)的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)怎怎樣？樣？成成像像關(guān)關(guān)系系和和光光束束限限制制情情況況? ? 物物方方遠(yuǎn)遠(yuǎn)心心光光路路原原理理. .8.8.光光瞳瞳銜銜接接原原則則是是什什么么? ?為為什什么么要要遵遵守守該該原原則則? ?9.9.場場鏡鏡的的定定義、義、作作用、用、成成像像關(guān)關(guān)系系如如何？何？ 1 10.0.什什么么是是景景深、深、遠(yuǎn)遠(yuǎn)景景景景深、深、近近景景景景深？深？景景深深公公式式和和影影響響因因素？素？第74頁/共75頁感謝您的觀看。第75頁/共75頁