资源描述
1第四章第四章 光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制4.1 光阑及其作用与分类光阑及其作用与分类 光学系统都是由若干个透镜组、平面镜、棱镜组成，每个光学零件都光学系统都是由若干个透镜组、平面镜、棱镜组成，每个光学零件都有一定的大小。因此、从物体发出的光束能够进入系统成像的只是其中一有一定的大小。因此、从物体发出的光束能够进入系统成像的只是其中一部分。显然，光学零件起到了限制光束的作用。更确切地说，是装夹光学部分。显然，光学零件起到了限制光束的作用。更确切地说，是装夹光学零件的金属框（如透镜框、棱镜框）限制了成像光束的位置和大小。因此，零件的金属框（如透镜框、棱镜框）限制了成像光束的位置和大小。因此，我 们 把我 们 把 系 统 中 起 限 制 成 像 光 束 作 用 的 光 学 零 件 的 金 属 框 称 作系 统 中 起 限 制 成 像 光 束 作 用 的 光 学 零 件 的 金 属 框 称 作“光阑光阑”。在光学系统中，不单用装夹光学零件的金属框的内孔来限制光束，有在光学系统中，不单用装夹光学零件的金属框的内孔来限制光束，有时还要专门设置一些带孔的金属薄片来限制光束，这些就是专用光阑。专时还要专门设置一些带孔的金属薄片来限制光束，这些就是专用光阑。专用光阑的通光孔一般为圆形，其中心线和光轴重合。多数专用光阑的孔径用光阑的通光孔一般为圆形，其中心线和光轴重合。多数专用光阑的孔径是固定的，但也有可变的。孔径可变的光阑称为可变光阑，常用于照相物是固定的，但也有可变的。孔径可变的光阑称为可变光阑，常用于照相物镜中。又如人眼的瞳孔也是一个可变光阑，其孔径能随外界光线的强弱镜中。又如人眼的瞳孔也是一个可变光阑，其孔径能随外界光线的强弱2而自动改变：当外界景物过亮时，瞳孔缩小以减少进入眼睛的光束，避免而自动改变：当外界景物过亮时，瞳孔缩小以减少进入眼睛的光束，避免过度刺激视神经细胞；当外界景物较暗时过度刺激视神经细胞；当外界景物较暗时,瞳孔的直径变大，使进入眼睛瞳孔的直径变大，使进入眼睛的的光能增多，以便看清昏暗中的物体。光能增多，以便看清昏暗中的物体。光阑根据其在光学系统中的不同作用可分为以下几种：光阑根据其在光学系统中的不同作用可分为以下几种：孔径光阑孔径光阑用来限制进入光学系统的成像光束的光阑。用来限制进入光学系统的成像光束的光阑。孔径光阑的孔径光阑的大小决定进入系统光能的多少，即决定像平面的照度。孔径光阑的位置在大小决定进入系统光能的多少，即决定像平面的照度。孔径光阑的位置在某些光学系统中有特殊要求。如在目视光学仪器中，孔径光阑被其后方光某些光学系统中有特殊要求。如在目视光学仪器中，孔径光阑被其后方光组所成的像一定要位于光学系统之外，以便使眼睛的瞳孔与之衔接，达到组所成的像一定要位于光学系统之外，以便使眼睛的瞳孔与之衔接，达到良好的观察效果。此外，合理地设计孔径光阑的位置，可以在一定程度上良好的观察效果。此外，合理地设计孔径光阑的位置，可以在一定程度上改善轴外物点的成像质量。改善轴外物点的成像质量。视场光阑视场光阑决定物平面或物空间成像范围的光阑。决定物平面或物空间成像范围的光阑。在多数光学系统在多数光学系统如照相机、显微系统中，视场光阑的位置常被设置在系统物镜的像平面上，如照相机、显微系统中，视场光阑的位置常被设置在系统物镜的像平面上，这样，视场才能具有清晰的边界。这样，视场才能具有清晰的边界。渐晕光阑渐晕光阑就是对轴外物点的成像光束刻意产生部分限制作用的光就是对轴外物点的成像光束刻意产生部分限制作用的光阑。阑。渐晕是指视场范围内某一部分区域的物点的成像光束较另外一部分区渐晕是指视场范围内某一部分区域的物点的成像光束较另外一部分区3域物点的光束出现减弱的现象。渐晕光阑的作用是为了改善轴外点的成像质域物点的光束出现减弱的现象。渐晕光阑的作用是为了改善轴外点的成像质量或减小部分光学系统的横向尺寸。量或减小部分光学系统的横向尺寸。消杂光光阑消杂光光阑用来限制进入光学系统杂光的光阑。用来限制进入光学系统杂光的光阑。光学系统的杂光一光学系统的杂光一般是由折射面和镜简内壁的反射光产生，它会降低像平面的衬度。因此，在般是由折射面和镜简内壁的反射光产生，它会降低像平面的衬度。因此，在一些要求较高的长焦距照相物镜中必须设置几个光阑以遮拦杂光。通常，系一些要求较高的长焦距照相物镜中必须设置几个光阑以遮拦杂光。通常，系统中并不设置消杂光光阑而是在镜管内壁加工细内螺纹或涂以黑色无光漆以统中并不设置消杂光光阑而是在镜管内壁加工细内螺纹或涂以黑色无光漆以消除杂光。消除杂光。4.2 孔径光阑孔径光阑（一）孔径光阑的定义和作用（一）孔径光阑的定义和作用定义：用来限制进入光学系统的成像光束的光阑，被称为孔径光阑。定义：用来限制进入光学系统的成像光束的光阑，被称为孔径光阑。作用：作用：1、孔径光阑可以限制轴上点的成像光束，同时也具有限制轴外点的成像光、孔径光阑可以限制轴上点的成像光束，同时也具有限制轴外点的成像光束。束。2、孔径光阑的位置对于轴外点的成像有着非常大的影响。、孔径光阑的位置对于轴外点的成像有着非常大的影响。4孔径光阑对轴上点光束的限制：由图可以看出，放在什么位置，效果一样。孔径光阑对轴上点光束的限制：由图可以看出，放在什么位置，效果一样。孔径光阑对轴外点光束的限制：孔径光阑对轴外点光束的限制：孔径光阑位置不同，轴外点参与成像的光孔径光阑位置不同，轴外点参与成像的光束的位置也不同，光束通过透镜的部位也不同。束的位置也不同，光束通过透镜的部位也不同。孔径光阑的位置影响透镜孔径光阑的位置影响透镜口径的大小。当光阑位于透镜上时，透镜口径最小。口径的大小。当光阑位于透镜上时，透镜口径最小。ABCu-u-uu-uu5（二）入射光瞳、出射光瞳（二）入射光瞳、出射光瞳入射光瞳：孔径光阑经其前面的光组在物空间的像。也就是从透镜左向右方入射光瞳：孔径光阑经其前面的光组在物空间的像。也就是从透镜左向右方观察所看到的孔径光阑的像。观察所看到的孔径光阑的像。出射光瞳：孔径光阑经其后面的光组在像空间成的像。出射光瞳：孔径光阑经其后面的光组在像空间成的像。入射光瞳、出射光瞳和孔径入射光瞳、出射光瞳和孔径光阑三者是共轭关系。光阑三者是共轭关系。入射光瞳入射光瞳是光束进入系统的公共入口，出射光瞳是光束进入系统的公共入口，出射光瞳是光束射出系统的是光束射出系统的公共公共出口。出口。-yAByBAL1L2孔径光阑孔径光阑入瞳入瞳出瞳出瞳6当系统的入瞳确定后，通过入瞳中心的光线称为轴外物点的当系统的入瞳确定后，通过入瞳中心的光线称为轴外物点的主光线主光线，它代，它代表了该物点的中心光束。主光线与光轴的夹角为视场角表了该物点的中心光束。主光线与光轴的夹角为视场角。如果设物距。如果设物距l,入瞳距入瞳距lz z，物高与视场角的关系为：，物高与视场角的关系为：tgllyZ)(入瞳主光线yllZ7（三）孔径光阑的判断（三）孔径光阑的判断1 让每一个透镜框和专用光阑分别由它前面光组依次作反向光路成像，让每一个透镜框和专用光阑分别由它前面光组依次作反向光路成像，得出各自像的位置和大小。系统最前面的那个透镜框的像与它本身重合，得出各自像的位置和大小。系统最前面的那个透镜框的像与它本身重合，也计入这些像之内。也计入这些像之内。2自轴上物点向这些光阑的像做边缘延伸光线，然后比较它们的孔径角自轴上物点向这些光阑的像做边缘延伸光线，然后比较它们的孔径角的大小。其中孔径角较小的光阑的像是入射光瞳，它所对应的光阑就是系的大小。其中孔径角较小的光阑的像是入射光瞳，它所对应的光阑就是系统的孔径光阑。孔径光阑被它后面光组成像，这个像就是出射光瞳。统的孔径光阑。孔径光阑被它后面光组成像，这个像就是出射光瞳。3当轴上物点位于无限远时，只须比较各镜框或专用光阑被其前面光组当轴上物点位于无限远时，只须比较各镜框或专用光阑被其前面光组所成像的大小，其中径最小的光阑像所对应的光阑就是孔径光阑。所成像的大小，其中径最小的光阑像所对应的光阑就是孔径光阑。例题：有个光路，它是由一个透镜和一个光阑组成，用作图法求它的孔径例题：有个光路，它是由一个透镜和一个光阑组成，用作图法求它的孔径光阑。光阑。1.1.将将D D1 1，D D2 2在物方求像。由于在物方求像。由于D D1 1前面没有光组，因而它在物方的共轭像前面没有光组，因而它在物方的共轭像D D1 1就是它自己。就是它自己。82.D2对对D1成像，求成像，求D1、D2的像对光轴张的孔径角最小的是入瞳，它对应的的像对光轴张的孔径角最小的是入瞳，它对应的光阑是孔径光阑。光阑是孔径光阑。AFD1D2FAFD1D2FU1U2D2D19举例举例1：如图所示，如图所示，L1、L2是两个正透镜，是两个正透镜，A为物点，为物点，P是位于两透镜之间的是位于两透镜之间的光孔，已知透镜的焦距光孔，已知透镜的焦距f 1=20mm，f2=10mm,物距物距100mm，间距，间距d1=40mm,d2=20mm，直径，直径D1=D2=6mm，DP=2mm,求此系统的孔径光阑。求此系统的孔径光阑。1004020D1=6DP=2AL1L2PD2=610解：求出所有光学元件在物空间的像，为此将整个系统翻转解：求出所有光学元件在物空间的像，为此将整个系统翻转1800求光孔求光孔P经透镜经透镜L1成像：成像：mmDDllmmllLLmmDDllmmllfllPP365.0,5.06030302016011)(221,140404020140111112212得得得得：成成像像：对对再再将将透透镜镜符符号号计计算算直直径径大大小小可可不不考考虑虑得得得得：透镜透镜L1本身在物空间不必成像。将上述所有成像结果再转回本身在物空间不必成像。将上述所有成像结果再转回1800，得到下图。得到下图。100-40-20D1=6DP=2AL1L2PD2=611为为系系统统的的入入瞳瞳为为孔孔径径光光阑阑。所所有有光光孔孔比比较较三三个个孔孔径径角角pPPPDPuuuDtguDtguDtgu ,0167.0602/2401002/021.0702/3301002/03.01002/61002/1222114020D1=6DP=2AL1L2D2=6uPu1-30-40-100D2DPPu212系统的出瞳在系统的出瞳在L2透镜之后透镜之后20mm处，大小为处，大小为2mm。举例举例2：在上例中，若物点位于轴上无限远处，试问此时哪一个光阑是系统在上例中，若物点位于轴上无限远处，试问此时哪一个光阑是系统的孔径光阑的孔径光阑?解：当物点位于轴上无限远时，从物点向光阑像边缘引伸光线，实际上这解：当物点位于轴上无限远时，从物点向光阑像边缘引伸光线，实际上这些光线都平行于光轴。所以，此时只须比较位于系统物空间的所有光阑像些光线都平行于光轴。所以，此时只须比较位于系统物空间的所有光阑像的孔径大小，直径最小者就是入瞳，它对应的光阑就是孔径光阑。的孔径大小，直径最小者就是入瞳，它对应的光阑就是孔径光阑。由上例计算可知，由上例计算可知，D1 的直径为的直径为6 mm，Dp的直径为的直径为2mm，D2的直径的直径为为3mm。通过比较可知，。通过比较可知，Dp的直径最小，所以为入瞳，的直径最小，所以为入瞳，Dp为孔径光阑。为孔径光阑。而出瞳则应是而出瞳则应是Dp为其后方透镜为其后方透镜L2在系统像空间所成的像。在系统像空间所成的像。因为孔径光阑没有变，所以出瞳的大小和位置不变。因为孔径光阑没有变，所以出瞳的大小和位置不变。将将Dp被后面的光组成像。由高斯公式得：被后面的光组成像。由高斯公式得：mm-y llmmll221212020201012011 13 4.3 视场光阑视场光阑（一）视场光阑的定义和作用（一）视场光阑的定义和作用定义：定义：光学系统中限制成像范围的光阑称为视场光阑。光学系统中限制成像范围的光阑称为视场光阑。作用：作用：限制物平面或物空间的成像范围。限制物平面或物空间的成像范围。（二）视场光阑、入射窗和出射窗的判断（二）视场光阑、入射窗和出射窗的判断 具体方法是：由具体方法是：由入瞳中心入瞳中心向系统物空间所有光阑像向系统物空间所有光阑像(被其前面光组所成被其前面光组所成的像的像)的边缘引伸光线，的边缘引伸光线，其中对入瞳中心张角最小者被称为系统的入射窗其中对入瞳中心张角最小者被称为系统的入射窗，简，简称入窗。称入窗。入窗所对应的光阑就是视场光阑入窗所对应的光阑就是视场光阑。视场光阑被其后面光组在系统像视场光阑被其后面光组在系统像空间所成的像称为系统的出射窗空间所成的像称为系统的出射窗，简称出窗。，简称出窗。视场光阑、入窗和出窗三者是相互共扼的。视场光阑、入窗和出窗三者是相互共扼的。（三）物方视场角和像方视场角（三）物方视场角和像方视场角 在物空间，从在物空间，从入瞳中心向入窗边缘所引伸光线的张角称为物方视场角入瞳中心向入窗边缘所引伸光线的张角称为物方视场角，用用2表示；在像空间，从表示；在像空间，从出瞳中心向出窗边缘所引伸光线的张角称为出瞳中心向出窗边缘所引伸光线的张角称为14像方视场角，用像方视场角，用2为视场角。显然半视场角为视场角。显然半视场角和和，已能表示视场的大，已能表示视场的大小。故通常也常和小。故通常也常和和和为视场角为视场角。光学系统的视场大小，通常用两种方法表示：光学系统的视场大小，通常用两种方法表示：当物体位于无限远时，如望远镜，常用视场角当物体位于无限远时，如望远镜，常用视场角2表示其视场大小，称表示其视场大小，称为视场角；为视场角；当物体位于有限距离或很近距离时，如显微镜，常用所见到的物平面当物体位于有限距离或很近距离时，如显微镜，常用所见到的物平面直径表示其视场大小，称为线视场。直径表示其视场大小，称为线视场。（四）视场光阑对物平面成像范围的限制（四）视场光阑对物平面成像范围的限制 现在假定孔径光阑的口径为无限小，那么入瞳和出瞳的口径也必定为现在假定孔径光阑的口径为无限小，那么入瞳和出瞳的口径也必定为无限小。此时轴外物点只有以无限小。此时轴外物点只有以主光线主光线为轴的一束无限细的光束方能通过光为轴的一束无限细的光束方能通过光学系统，因此，能被系统成像的物面范围便由入瞳中心与入射窗边缘的连学系统，因此，能被系统成像的物面范围便由入瞳中心与入射窗边缘的连线线(即即主光线主光线)所决定，所决定，主光线主光线便是视场边缘光线。便是视场边缘光线。15 以上只讨论了入射光瞳口径为无限小的情况。实际上，光学系统的入射以上只讨论了入射光瞳口径为无限小的情况。实际上，光学系统的入射光瞳总是有一定大小。有时还可能很大。此时系统小光束被限制的情况就变光瞳总是有一定大小。有时还可能很大。此时系统小光束被限制的情况就变得复杂一些。下面我们就一般情况作简要分析。得复杂一些。下面我们就一般情况作简要分析。视场光阑入射窗入射窗出射窗出射窗L1物像L2孔径光阑孔径光阑入瞳入瞳出瞳出瞳主光线 入窗限制了物平面的成像范围，是因为在入窗限制了物平面的成像范围，是因为在所有光孔被其前面光组所成的所有光孔被其前面光组所成的像像中入射窗对光瞳中心的张角为最小，同样，出射窗之所以限制了像方视中入射窗对光瞳中心的张角为最小，同样，出射窗之所以限制了像方视场的大小，也是因为在所有光孔被其后的光组所成的像中，出射窗对出瞳场的大小，也是因为在所有光孔被其后的光组所成的像中，出射窗对出瞳中心的张角为最小。中心的张角为最小。这就解释为什么视场光阑能限制物面成像范围的原因。这就解释为什么视场光阑能限制物面成像范围的原因。16 当入射光瞳有一定大小时，由轴外物点发出的充满入瞳的光束，有时会当入射光瞳有一定大小时，由轴外物点发出的充满入瞳的光束，有时会被某些透镜框所遮拦。如图所示，透镜被某些透镜框所遮拦。如图所示，透镜L1、L2分别位于孔径光阑分别位于孔径光阑D的两侧。的两侧。由轴外物点由轴外物点B发出的充满入瞳的光束，其中只有一部分（画有阴影线部分）发出的充满入瞳的光束，其中只有一部分（画有阴影线部分）通过系统成像，而其上下各有一部分分别被透镜通过系统成像，而其上下各有一部分分别被透镜L2与与L1的镜框所遮拦。因此，的镜框所遮拦。因此，轴外物点成像光束的孔径显然要比轴上物点小。致使像面上从中央到边缘，轴外物点成像光束的孔径显然要比轴上物点小。致使像面上从中央到边缘，光照度逐渐下降，这种现象称为光照度逐渐下降，这种现象称为“惭晕惭晕”。17显然，轴外物点离光轴愈远，渐晕现象就愈明显。假定在入瞳面上，轴上显然，轴外物点离光轴愈远，渐晕现象就愈明显。假定在入瞳面上，轴上物点的光束宽度为物点的光束宽度为D，视场角，视场角的斜光束的斜光束(在子午面内在子午面内)的宽度为的宽度为D。则。则D比比D之比称为之比称为“线渐晕系数线渐晕系数”：DDKD 另外另外,当入瞳有一定大小时，入射窗也不能完全决定系统的成像范围当入瞳有一定大小时，入射窗也不能完全决定系统的成像范围,如图所示。由前面分所可知，当入瞳为无限小时，物面上的成像范围由入如图所示。由前面分所可知，当入瞳为无限小时，物面上的成像范围由入瞳中心与入窗边缘的连线所确定，若此连线与物面相交为瞳中心与入窗边缘的连线所确定，若此连线与物面相交为B2，则能被系统，则能被系统成像的是一个以物面中心成像的是一个以物面中心A为圆心，以为圆心，以AB2为半径的圆形区域。但是当入瞳为半径的圆形区域。但是当入瞳具有一定大小时，除具有一定大小时，除B2以外的物点发出充满以外的物点发出充满入瞳的光束中，虽然主光线不能通过入射入瞳的光束中，虽然主光线不能通过入射窗，但仍然有一部分光线通过入射窗而被窗，但仍然有一部分光线通过入射窗而被系统成像。因此，成像范围被扩大了系统成像。因此，成像范围被扩大了,由由入窗的上边缘和入瞳的下边缘的连线与入窗的上边缘和入瞳的下边缘的连线与物面的交点物面的交点B3才是被系统成像的最边缘才是被系统成像的最边缘点。点。18（五）视场范围的计算（五）视场范围的计算 光学系统的视场是由物方视场或物面半径的大小来确定。根据视场光光学系统的视场是由物方视场或物面半径的大小来确定。根据视场光阑的不同位置，有一下几种计算视场的方法。阑的不同位置，有一下几种计算视场的方法。1、视场光阑与像面重合、视场光阑与像面重合当视场光阑与像面重合时，视场光阑的口径就是像的大小，当视场光阑与像面重合时，视场光阑的口径就是像的大小，由此得到物方视场为：由此得到物方视场为：2视场视场Dy 物物镜镜的的焦焦距距）在在无无限限远远处处，为为系系统统的的放放大大率率物物为为有有限限距距离离，其其中中(物 )(ffytgyy )(为为入入瞳瞳的的位位置置式式中中视视场场ZZlllytgDy22、当视场光阑与物面重合时，视场光阑的大小就是物的大小，此时、当视场光阑与物面重合时，视场光阑的大小就是物的大小，此时（P6）例题：例题：上一题中，渐晕系数上一题中，渐晕系数KD0.7 时的系统视场光阑和最大的视场范围。时的系统视场光阑和最大的视场范围。19由前面计算得到入瞳直径，根据渐晕系数由前面计算得到入瞳直径，根据渐晕系数0.7截取一点截取一点Q得：得：11.0104.02330402/065.0404.026402/)(4.127.07.0221QODtgQODtgmmDDP 由于由于1D棱 161623.520.5（2）3030 D棱 161623.721（3）31.631.6D棱 16162421.329孔径光阑处于不同位置时的成像光束孔径光阑处于不同位置时的成像光束(3)(3)望远系统的孔径光阑大致在物镜左右，具体位置可根据尽量减小光学望远系统的孔径光阑大致在物镜左右，具体位置可根据尽量减小光学零件的尺寸和体积的考虑去设定；零件的尺寸和体积的考虑去设定；(4)(4)可放分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。可放分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。总结上面的分析：总结上面的分析：(1)(1)两个光学系统联两个光学系统联用时，一般应满足用时，一般应满足光瞳衔接原则；光瞳衔接原则；(2)(2)目视光学系统的目视光学系统的出瞳一般在系统之出瞳一般在系统之外，且出瞳距不能外，且出瞳距不能小于于小于于6mm6mm。304.6 显微镜系统中的光束限制与分析显微镜系统中的光束限制与分析一、简单显微镜系统的光束限制一、简单显微镜系统的光束限制物镜框限制了成像光束的口径，物镜框限制了成像光束的口径，孔径光阑孔径光阑；分划板限制了系统的成像范围，分划板限制了系统的成像范围，视场光阑视场光阑。31出窗-y”F1F2-yy物镜目镜出瞳视场光阑入窗孔径光阑入瞳显微镜系统的光束限制显微镜系统的光束限制32二、远心光路二、远心光路33二、远心光路二、远心光路在物镜的像方焦平面设置孔径光阑，其入瞳在在物镜的像方焦平面设置孔径光阑，其入瞳在无限远处（无限远处（物方远心光路）物方远心光路），轴外点主光线平轴外点主光线平行光轴。行光轴。（保证弥散圆的中心距不变保证弥散圆的中心距不变）34三、场镜的应用三、场镜的应用在长光路显微镜系统中，设有在长光路显微镜系统中，设有转像镜转像镜，造成主，造成主光线在后面的透镜上投射高度很高，需要增大光线在后面的透镜上投射高度很高，需要增大透镜口径。透镜口径。再加一个再加一个场镜场镜解决可以这个问题解决可以这个问题35三、场镜的应用三、场镜的应用场镜和物镜的像平面重合场镜和物镜的像平面重合，降低主光线在后面，降低主光线在后面系统上的投射高度，不改变轴上点的光束行进系统上的投射高度，不改变轴上点的光束行进走向，将孔径光阑成像在转像透镜上，起到走向，将孔径光阑成像在转像透镜上，起到光光瞳衔接瞳衔接的作用。的作用。36小结：小结：1、一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微物镜上；一次实像面处、一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微物镜上；一次实像面处安装系统的视场光阑。安装系统的视场光阑。2、显微镜系统用于测长目的时，为了消除测量误差，孔径光阑安、显微镜系统用于测长目的时，为了消除测量误差，孔径光阑安装在显微物镜的像方焦面处，称为装在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远心光路物方远心光路”。3、在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，以、在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径。减小光学零件的口径。4.7 光学系统的景深光学系统的景深 一、光学系统的空间像一、光学系统的空间像1.按照共线理论：按照共线理论：点物成点像；平面物成平面像；空间物成空间像。点物成点像；平面物成平面像；空间物成空间像。2.光学系统的空间像：光学系统的空间像：374.7 光学系统的景深光学系统的景深 一、光学系统的空间像一、光学系统的空间像照相制版、电影放映：照相制版、电影放映：平面像平面像；望远镜、照相物镜：望远镜、照相物镜：空间像空间像。38景像平面景像平面 ；在物空间和景象平面共轭的平面在物空间和景象平面共轭的平面AB称为称为对准平面对准平面。BA以入射光瞳中心点以入射光瞳中心点P为投影中心，将空间点沿主为投影中心，将空间点沿主光线向对准平面上投影，投影点在景象平面上的光线向对准平面上投影，投影点在景象平面上的共轭点就是共轭点就是空间点的平面像空间点的平面像。非对准平面内的空间点发出的充满光瞳的光束非对准平面内的空间点发出的充满光瞳的光束和对准平面交为和对准平面交为弥散斑弥散斑，相应的在景象平面上，相应的在景象平面上的像也是一个弥散斑，的像也是一个弥散斑，弥散斑的大小和光瞳直径弥散斑的大小和光瞳直径、空间点到对准平面的距离有关。、空间点到对准平面的距离有关。39投影中心前后移投影中心前后移动，投影像的变动，投影像的变化和景物是不成化和景物是不成比例的比例的-投射失真投射失真40视场不同，放大率变化，中心区域放大率视场不同，放大率变化，中心区域放大率大（小）；边缘区域放大率小（大）。大（小）；边缘区域放大率小（大）。41二二.光学系统的景深光学系统的景深对准平面以外的点在景象平面成像为一个弥散对准平面以外的点在景象平面成像为一个弥散斑，当弥散斑小于一定限度时，可认为仍然是斑，当弥散斑小于一定限度时，可认为仍然是一个点，成清晰像。一个点，成清晰像。例如，弥散斑足够小，对人眼的张角小于例如，弥散斑足够小，对人眼的张角小于人眼人眼的极限分辨角的极限分辨角（约为（约为1秒），则对人眼无不清晰秒），则对人眼无不清晰的感觉。的感觉。在景象平面上能成清晰像的物空间的深度称为在景象平面上能成清晰像的物空间的深度称为成像空间的成像空间的景深景深。42二二.光学系统的景深光学系统的景深远景平面、远景平面、远景深度；远景深度；近景平面、近景平面、近景深度。近景深度。43二二.光学系统的景深光学系统的景深2221112221112;22;2pppazpppazpppazpppaz景象平面弥散斑的大小除于入瞳直径有关，还景象平面弥散斑的大小除于入瞳直径有关，还与距离与距离p，p1、p2有关。有关。弥散斑直径的允许值取决于光学系统的用途。弥散斑直径的允许值取决于光学系统的用途。44二二.光学系统的景深光学系统的景深普通的照相物镜，要求弥散斑对人眼的张角小普通的照相物镜，要求弥散斑对人眼的张角小于人眼的极限分辨角于人眼的极限分辨角 。极限分辨角确定以后，弥散斑大小还与眼睛到极限分辨角确定以后，弥散斑大小还与眼睛到照片的距离有关，即确定观察距离。照片的距离有关，即确定观察距离。为了获得正确的空间感觉，必须以适当的距离为了获得正确的空间感觉，必须以适当的距离观察照片，应使照片上图像各点对眼睛的张角观察照片，应使照片上图像各点对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。与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。-正确透视距离正确透视距离D。45ppyyDDypytantan46222222212222112121tan4tan4442;2;UUppaappappppappppzzpDzz入射光瞳的直径越小，即孔径角越小，景深越大。入射光瞳的直径越小，即孔径角越小，景深越大。所以，在拍照片时，缩小光圈可以获得大的空间所以，在拍照片时，缩小光圈可以获得大的空间深度的清晰像。深度的清晰像。2221112221112;22;2pppazpppazpppazpppaz47分析：分析：（1）当远景深度为无穷大时，）当远景深度为无穷大时，apap22当把物镜调焦于当把物镜调焦于p处，可以得到自入射光瞳前处，可以得到自入射光瞳前距离为距离为 处的平面起到无限远的空间物体的处的平面起到无限远的空间物体的清晰像清晰像a/（2）当把物镜调焦到无限远时，）当把物镜调焦到无限远时，ap22（3）上面的讨论是针对照片的正确透射距离的，）上面的讨论是针对照片的正确透射距离的，许多时候，直接给定弥散斑的大小限制，此时景许多时候，直接给定弥散斑的大小限制，此时景深与焦距是有关系的。深与焦距是有关系的。48 总结总结：孔径光阑、入瞳和出瞳；光阑对成像光束大小孔径光阑、入瞳和出瞳；光阑对成像光束大小和位置的限制；和位置的限制；视场光阑、入射窗和出射窗；视场光阑、入射窗和出射窗；渐晕光阑渐晕光阑照相系统中的光阑照相系统中的光阑望远镜系统中的光阑、光瞳衔接；望远镜系统中的光阑、光瞳衔接；显微镜系统中的光阑、远心光路、场镜；显微镜系统中的光阑、远心光路、场镜；空间像、弥散斑、透射失真、景象畸变；空间像、弥散斑、透射失真、景象畸变；光学系统的景深、正确透射距离光学系统的景深、正确透射距离49作业：作业：P73，1，3，4
展开阅读全文