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1、工程光學工程光學第第4章章 -2光學系統(tǒng)中的光闌光學系統(tǒng)中的光闌與與光束限制光束限制1嚴選課件第一節(jié)第一節(jié) 光闌光闌第二節(jié)第二節(jié) 照相系統(tǒng)的光闌照相系統(tǒng)的光闌 第三節(jié)第三節(jié) 望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇第四節(jié)第四節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析第五節(jié)第五節(jié) 光學系統(tǒng)的景深光學系統(tǒng)的景深第六節(jié)第六節(jié) 數(shù)碼照相機鏡頭的景深（自學）數(shù)碼照相機鏡頭的景深（自學）2嚴選課件 第三節(jié)第三節(jié) 望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇 一、雙目望遠鏡的組成一、雙目望遠鏡的組成 1 1、構成、構成轉像轉像物鏡、目鏡的物鏡、目鏡的共同焦面上共同焦面上
2、3嚴選課件2、光學參數(shù)、光學參數(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： 望遠鏡系統(tǒng)簡化圖望遠鏡系統(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4嚴選課件目視光學系統(tǒng)的目視光學系統(tǒng)的視角放大率：視角放大率： 遠處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對眼睛張角遠處物體經(jīng)系統(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12
3、tantanff 復習：第二章復習：第二章5嚴選課件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、出射窗均在無窮遠處，入射窗、出射窗均在無窮遠處，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 望遠鏡系統(tǒng)簡化圖望遠鏡系統(tǒng)簡化圖DDf 物f目出出瞳瞳入入瞳瞳6嚴選課件hz物hz目hz分1）物鏡的左側）物鏡的左側10mm；2）物鏡上；）物鏡上；3）物鏡右側）物鏡右側10 mm 。2 2、孔徑光闌的位置：、孔徑光闌的位置：二、望遠鏡系統(tǒng)中的光束限制二、望遠鏡系統(tǒng)中的光束限制 1 1
4、、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。 追跡主光線追跡主光線 的投射高度的投射高度7嚴選課件望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置8嚴選課件hz物hz目hz分1 1）光闌在物鏡的左側）光闌在物鏡的左側10mm10mm（=4.25=4.25）：）：oooootg(4.25 )10mm tg(4.25 )0.75mmtg(4.25 )8mm0.75tgtg(4.25 )tg(4.25 )108tg()tg9.25mmtg20.zzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhd UhffUhhtgUtgUUfflhtgU 物分物物物物目
5、目物物物物物目目目目物目目目目；5mm. tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計算法正切計算法tanyf2DZ通（h+h ）9嚴選課件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正切計算法正切計算法10嚴選課件3 3）光闌在物鏡右側
6、）光闌在物鏡右側10mm10mm： ooztg(4.25 )11 tg(4.25 )0.82mmzhl物8mmzh分9.51mmzh目21.3mmzlz11111mm10108zll111zllf物tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切計算法正切計算法11嚴選課件2DZ通（h+h ）通光口徑計算（表通光口徑計算（表4-14-1） h h為軸上點邊緣光線投射高度（平行光線）為軸上點邊緣光線投射高度（平行光線）12嚴選課件三、望遠鏡系統(tǒng)光束限制的總結三、望遠鏡系統(tǒng)光束限制的總結1 1、兩光學系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應滿足光瞳銜接原則；、兩光學系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應滿足光瞳銜接原則；2
7、2、目視光學系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于、目視光學系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于6mm6mm；4 4、分劃板就是視場光闌。、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)13嚴選課件 第四節(jié)第四節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析 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)的構成顯微鏡系統(tǒng)的構成14嚴選課件二、遠心光路二、遠心光路 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：
8、(b) (b) 調焦不準：調焦不準：2) 2) 由于調焦不精確，引由于調焦不精確，引 起像平面和標尺平面起像平面和標尺平面 不重合，從而導致測不重合，從而導致測 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；15嚴選課件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。入瞳位于物方無窮遠。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，且軸外點的主光線平軸外點的主光線平行于主軸。行于主軸。3) 主光線是物點成像主光線是物點成像光束的中心軸，則光束的中心軸，則物點物點A1 B1在刻尺平在刻尺平面構成的兩個彌散面構成的
9、兩個彌散斑的斑的中心間隔中心間隔始終始終不變。不變。 物方遠心光路物方遠心光路 (a) 測距原理：測距原理：(b) 調焦不準：調焦不準：16嚴選課件三、場鏡的應用三、場鏡的應用 缺點：出射缺點：出射主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的口徑主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的口徑 必須非常大。必須非常大。 -1-1透鏡轉像系統(tǒng)：加長光路。透鏡轉像系統(tǒng)：加長光路。1 1、長光路顯微鏡系統(tǒng)、長光路顯微鏡系統(tǒng)17嚴選課件 2、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法-1-1轉像系統(tǒng)轉像系統(tǒng) 場鏡：場鏡：與像平面重合、或者很靠近像平面的透鏡。與像平面重合、或者很靠近像平面的
10、透鏡。 效果：效果：主光線經(jīng)場鏡后通過主光線經(jīng)場鏡后通過-1-1轉像透鏡中心，轉像透鏡中心， 從而對后面系統(tǒng)的口徑要求最小。從而對后面系統(tǒng)的口徑要求最小。 場鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用。場鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用。 實際設計：實際設計： 在在-1-1轉像透鏡前、物鏡的實像面處加場鏡。轉像透鏡前、物鏡的實像面處加場鏡。18嚴選課件場鏡的應用場鏡的應用19嚴選課件四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結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；4、長光路顯微鏡系統(tǒng)：、長光路顯微鏡系統(tǒng)： 利用場鏡達到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，利用場鏡達到前后系統(tǒng)的
11、光瞳銜接， 減小光學零件尺寸。減小光學零件尺寸。2、一次實像面處安放視場光闌；、一次實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 物方遠心光路物方遠心光路20嚴選課件第五節(jié)第五節(jié) 光學系統(tǒng)的景深光學系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果同一位置不同景深的效果21嚴選課件一、光學系統(tǒng)的空間像一、光學系統(tǒng)的空間像1、平面上的空間像：、平面上的空間像：空間點成像于一個像平面上?？臻g點成像于一個像平面上。對準平面對準平面景像平面景像平面共軛共軛22嚴選課件 以以入瞳中心入瞳中心為投影中心，以各空間點的為投影中心，以各空間點的主光線主光線為投為投影方
12、向，向影方向，向對準平面對準平面投影，對應投影點在景象平面上的投影，對應投影點在景象平面上的共軛點共軛點即為空間點的平面像。即為空間點的平面像。 平面上的空間像的獲得：平面上的空間像的獲得： 對準平面外的空間點，在景象平面產(chǎn)生一個彌散斑。對準平面外的空間點，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。有關。 或：在像空間以或：在像空間以出瞳中心出瞳中心為投影中心，仍以各空間點的為投影中心，仍以各空間點的主光線為投影方向，各空間像點向主光線為投影方向，各空間像點向景象平面景象平面投影，可得投影，可得空間點的平面像。空間點的平面像。
13、23嚴選課件pp1p1p2p2p 二、光學系統(tǒng)的景深二、光學系統(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。 遠景遠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)的起算原點的起算原點 出瞳中心：出瞳中心：像空間像空間參數(shù)參數(shù)的起算原點的起算原點24嚴選課件對準對準平面的彌散斑直徑：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：1112pppaz2222pppaz1112ppza
14、p 2222ppzap 1212, ,z za p p p 12,z z是否可以看做一個幾何點，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25嚴選課件 正確透視距離：正確透視距離：觀察距離滿足照片上各點對人眼睛的張觀察距離滿足照片上各點對人眼睛的張角，與直接觀察空間時各對應點對眼睛的張角相等。角，與直接觀察空間時各對應點對眼睛的張角相等。眼睛眼睛ppuDypytantanppyyD以下推導以下推導不考慮正負號不考慮正負號以照相機為例，分析人眼看照片認為是清晰圖像的情況：以照相機為例，分析人眼看照片認為是清晰圖像的情況：人眼的極限分辨角26嚴選課件12
15、zzzzp對準平面上對應彌散斑的允許值：對準平面上對應彌散斑的允許值：11112zapzpp21222zapzpp遠景、近景到對準平面的距離：遠景、近景到對準平面的距離：221222ppapap 1122zaapp2222zaapp1112ppzap2222ppzap遠景、近景到入瞳的距離：遠景、近景到入瞳的距離：景像平面（照片）上彌散斑直徑的允許值景像平面（照片）上彌散斑直徑的允許值12zzzDp yDppy1 2清晰像：彌散斑直徑對人眼的張角人眼的極限分辨角12, (2 , , )a p 27嚴選課件總成像深度總成像深度景深景深22222144paap224tan4tanpUU Upata
16、n22物方孔徑角物方孔徑角U：軸上物點：軸上物點-入瞳邊緣連線與光軸的夾角。入瞳邊緣連線與光軸的夾角。眼睛眼睛ppu2a2,aU 28嚴選課件例：照相機的原理圖例：照相機的原理圖29嚴選課件光圈大小對于景深的影響光圈大小對于景深的影響224tan4tanpUU Upatan222,aU 30嚴選課件對于對于固定焦距和拍攝距離固定焦距和拍攝距離，使用光圈越小，景深越大，使用光圈越小，景深越大31嚴選課件n孔徑光闌孔徑光闌光圈光圈相對孔徑相對孔徑D/f(入瞳直徑與焦距之比入瞳直徑與焦距之比)32嚴選課件例例1：現(xiàn)有一照相機，其物鏡：現(xiàn)有一照相機，其物鏡f=75mm，現(xiàn)以常攝距離，現(xiàn)以常攝距離p=3
17、m進行拍攝，光圈的進行拍攝，光圈的相對孔徑相對孔徑D/f(入瞳直徑與焦距之入瞳直徑與焦距之比比)分別采用分別采用1/3.5和和1/22，試分別求其景深。，試分別求其景深。21222244apap 222222221)1/ 3.5221.433.54243.980.2439842)1/ 2223.412241637.371.637374DfaDmmfapmmmapDfaDmmfapmmmap 解：解：10.00029rad人眼的極限分辨角：33嚴選課件F/3.5不同光圈的效果不同光圈的效果F/11F/3234嚴選課件1 1、使、使對準平面前的整個空間對準平面前的整個空間都能在景像平面上成清晰像：
18、都能在景像平面上成清晰像： 1即，遠景深度：即，遠景深度：三、特例三、特例20ap212pap 景深：自入瞳前距離景深：自入瞳前距離a/處的平面起至無限遠。處的平面起至無限遠。2ap（對準平面）（對準平面）appapppp222222近景位置：近景位置：35嚴選課件 p2、照相物鏡、照相物鏡調焦到無限遠調焦到無限遠：END4景深：自入瞳前距離景深：自入瞳前距離2a/處的平面起至無限遠。處的平面起至無限遠。（對準平面）（對準平面）pz 2ap222222zaapp近景位置：近景位置：36嚴選課件（一）長景深的照片（一）長景深的照片37嚴選課件38嚴選課件39嚴選課件40嚴選課件（二）短景深照片（二）短景深照片41嚴選課件42嚴選課件43嚴選課件44嚴選課件作業(yè)作業(yè)-1圖圖3-245嚴選課件作業(yè)作業(yè)-2第第4章課后習題章課后習題446嚴選課件
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