-光学系统中的光束限制-Stops-in-Optical-Systems课件

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Stops in Optical Systems理想光学系统对任意物以任意宽的光束给出理想光学系统对任意物以任意宽的光束给出某一定倍率的像。当共轭距一定时，物的大某一定倍率的像。当共轭距一定时，物的大小与像的大小成比例小与像的大小成比例实际光学系统的成像光束将会受到限制实际光学系统的成像光束将会受到限制透镜的大小和像面的大小有限透镜的大小和像面的大小有限，从而限制了成像光，从而限制了成像光束的宽度和成像范围束的宽度和成像范围 实际光学系统必须限制参与成像的光束宽度实际光学系统必须限制参与成像的光束宽度和光束范围，以保证成像质量和光束范围，以保证成像质量1在实际的光学系统中，不仅物面上每一点发出并进入系统参与成在实际的光学系统中，不仅物面上每一点发出并进入系统参与成像的光束宽度是有限的，而且能够清晰成像的物面大小也是有限像的光束宽度是有限的，而且能够清晰成像的物面大小也是有限的。的。透镜的大小限制透镜的大小限制A点发出的成像光束的孔径角点发出的成像光束的孔径角像面的大小限制像面成像范围，实际也就限制了物面成像范围像面的大小限制像面成像范围，实际也就限制了物面成像范围都是对光束的限制，称为都是对光束的限制，称为光阑光阑 2本章内容本章内容4.1 4.1 光阑光阑概念概念入瞳与出瞳入瞳与出瞳入射窗与出射窗入射窗与出射窗4.2 4.2 场镜场镜4.3 4.3 光学系统的景深光学系统的景深4.4 4.4 远心光路远心光路34.1 光阑光阑4一、概念一、概念光阑光阑：光学系统中所有限制光束的孔或框（透镜框、棱镜框）：光学系统中所有限制光束的孔或框（透镜框、棱镜框）限制成像光束或成像范围限制成像光束或成像范围孔径光阑孔径光阑 Aperture StopAperture Stop：限制进入光学系统成像光束口径：限制进入光学系统成像光束口径大大 小的光阑。小的光阑。决定了光学系统的光能量大小决定了光学系统的光能量大小 控制像的亮度控制像的亮度 并与像的分辨率有关并与像的分辨率有关 照相机的光圈照相机的光圈位置随光学系统而异位置随光学系统而异5任何光学系统中，孔径光阑都是存在的任何光学系统中，孔径光阑都是存在的孔径光阑的位置不同，轴外物点参与成像的光束孔径光阑的位置不同，轴外物点参与成像的光束位置就不同位置就不同孔径光阑的位置不同，轴外物点发出并参与成像孔径光阑的位置不同，轴外物点发出并参与成像的光束通过透镜的部位就不同的光束通过透镜的部位就不同6视场光阑视场光阑Field StopField Stop：限制物平面上或物空间中最大成像限制物平面上或物空间中最大成像 范围的光阑范围的光阑 位置固定，总是设在系统的实像平面或中间实像平面上位置固定，总是设在系统的实像平面或中间实像平面上 在像面上或物面上安放一个中间开孔的光阑。在像面上或物面上安放一个中间开孔的光阑。没有实像平面，就没有视场光阑没有实像平面，就没有视场光阑 照相机中的底片框照相机中的底片框消杂光光阑消杂光光阑：消除杂光的光阑消除杂光的光阑 杂光能引起成像对比度的下降杂光能引起成像对比度的下降 不限制成像光束的大小不限制成像光束的大小 把镜筒内壁加工成螺纹，并涂以黑色无光漆把镜筒内壁加工成螺纹，并涂以黑色无光漆7二二 入瞳与出瞳入瞳与出瞳入瞳：孔径光阑经前面光组，在系统物空间所成的像入瞳：孔径光阑经前面光组，在系统物空间所成的像出瞳：孔径光阑经后面光组，在系统像空间所成的像出瞳：孔径光阑经后面光组，在系统像空间所成的像入瞳作图：入瞳与孔径光阑物象共轭入瞳作图：入瞳与孔径光阑物象共轭 已知孔径光阑，求物已知孔径光阑，求物利用几条特殊光线利用几条特殊光线平行于光轴的光线，其光线的延长线通过入瞳的边平行于光轴的光线，其光线的延长线通过入瞳的边缘处，该光线经过透镜折射后经过孔径光阑的边缘缘处，该光线经过透镜折射后经过孔径光阑的边缘处处通过第一个透镜中心处的斜光线，其光线的延长线通过第一个透镜中心处的斜光线，其光线的延长线通过入瞳边缘处该光线通过透镜折射后经过孔径光通过入瞳边缘处该光线通过透镜折射后经过孔径光阑的边缘处阑的边缘处光路可逆原理光路可逆原理出瞳作图：出瞳作图：89注意：注意：入瞳的位置和直径代表了入射光束的位置和口径；入瞳的位置和直径代表了入射光束的位置和口径；入瞳描述了一条光线能否通过系统；入瞳描述了一条光线能否通过系统；入瞳、孔径光阑、出瞳互为物象共轭；入瞳、孔径光阑、出瞳互为物象共轭；通过入瞳中心的光线，经光组后，必然经过孔径通过入瞳中心的光线，经光组后，必然经过孔径光阑和出瞳的中心；光阑和出瞳的中心；通过入瞳边缘的光线，必然成为出瞳的边缘光线；通过入瞳边缘的光线，必然成为出瞳的边缘光线；孔径光阑对一定位置的物点而言，物体位置改变，孔径光阑对一定位置的物点而言，物体位置改变，孔径光阑可能改变。孔径光阑可能改变。101112 当一个系统中有多个光阑时，到底谁是孔径光阑？当一个系统中有多个光阑时，到底谁是孔径光阑？标准：谁对成像光束的大小起决定作用，谁就是孔径光阑标准：谁对成像光束的大小起决定作用，谁就是孔径光阑 步骤：步骤：将系统中所有光阑分别对其前面的光组成像；将系统中所有光阑分别对其前面的光组成像；确定各个像中对轴上物点张角最小者，即入瞳；确定各个像中对轴上物点张角最小者，即入瞳；此入瞳所对应的光阑即是孔径光阑此入瞳所对应的光阑即是孔径光阑 求法：作图法；解析法（例）求法：作图法；解析法（例）13有一光阑其孔径为有一光阑其孔径为2.52.5厘米，位于透镜前厘米，位于透镜前1.51.5厘米处，厘米处，透镜焦距为透镜焦距为3 3厘米，孔径厘米，孔径4 4厘米。长为厘米。长为1 1厘米的物位于厘米的物位于光阑前光阑前6 6厘米处厘米处求：（求：（1 1）入射光瞳和出射光瞳的位置及大小）入射光瞳和出射光瞳的位置及大小 （2 2）象的位置，并作图）象的位置，并作图因光阑前无透镜，直接比较光阑及透镜对物的因光阑前无透镜，直接比较光阑及透镜对物的张角，可知光阑即入射光瞳。出射光瞳是这光张角，可知光阑即入射光瞳。出射光瞳是这光阑被其后面透镜所成的象。阑被其后面透镜所成的象。14三三 入射窗与出射窗入射窗与出射窗光窗：确定成像范围的概念光窗：确定成像范围的概念入射窗：视场光阑经其前面的光组在系统物空间成的像入射窗：视场光阑经其前面的光组在系统物空间成的像出射窗：视场光阑经其后面的光组在系统像空间成的像出射窗：视场光阑经其后面的光组在系统像空间成的像视场光阑安放在像平面上视场光阑安放在像平面上视场光阑安放在物平面上视场光阑安放在物平面上入射窗、出射窗、视阑互为共轭入射窗、出射窗、视阑互为共轭15164.2 4.2 场镜的特性及其应用场镜的特性及其应用一一 定义定义在望远系统中，如果希望系统光学特性不变，即在物镜和在望远系统中，如果希望系统光学特性不变，即在物镜和目镜焦距不变的条件下，把出射光束在目镜上的投射高度目镜焦距不变的条件下，把出射光束在目镜上的投射高度降低一些，使目镜组的口径减小。降低一些，使目镜组的口径减小。在在F F物物上加一个正透镜上加一个正透镜物镜所成的像正好位于正透镜的物镜所成的像正好位于正透镜的主平面主平面上，通过它以后所上，通过它以后所成的像和原来像的大小相等，从而不会影响系统的成像特成的像和原来像的大小相等，从而不会影响系统的成像特性，这样一种性，这样一种和像平面重合，或者和像平面很靠近的透镜和像平面重合，或者和像平面很靠近的透镜称为场镜称为场镜。特性特性：改变成像光束的位置（压低光线，减小后续光路通改变成像光束的位置（压低光线，减小后续光路通光孔径），不影响系统的光学特性。光孔径），不影响系统的光学特性。17二二 应用应用 在在连续成像的组合系统连续成像的组合系统中经常采用。中经常采用。当两个系统组合在一起成像时，为了使前一个系统当两个系统组合在一起成像时，为了使前一个系统的出射光束都能进入后一个系统，而又不使后一个的出射光束都能进入后一个系统，而又不使后一个系统的通光口径过大，这就需要在中间像平面上加系统的通光口径过大，这就需要在中间像平面上加入一个场镜。入一个场镜。例：在像平面例：在像平面A ABB加一场镜，把成像光束向光轴加一场镜，把成像光束向光轴偏转，使主光线透过后透镜中心，则后组透镜的口偏转，使主光线透过后透镜中心，则后组透镜的口径大大减小。径大大减小。18三三 场镜焦距计算场镜焦距计算 根据某一条光线通过场镜前后所要的位置，用成根据某一条光线通过场镜前后所要的位置，用成像公式计算。像公式计算。例：在上例中，假设例：在上例中，假设 要求主要求主光线即通过前透镜的中心又通过后组透镜中心，即光线即通过前透镜的中心又通过后组透镜中心，即要求前组透镜经过场镜后成像在后组透镜上。要求前组透镜经过场镜后成像在后组透镜上。194.3 4.3 光学系统的景深光学系统的景深理论上，只有共轭的物平面才能在像平面上成清理论上，只有共轭的物平面才能在像平面上成清晰像晰像,其他物点所成的像均为弥散斑其他物点所成的像均为弥散斑 前面我们所讨论的只是在前面我们所讨论的只是在垂直于光轴的平面垂直于光轴的平面上点上点的成像问题的成像问题 实际上还有很多光学仪器要求对整个空间或部分实际上还有很多光学仪器要求对整个空间或部分空间的物点成像在一个像平面上空间的物点成像在一个像平面上20想一想：为什么看许多照片时感觉远近都清楚？想一想：为什么看许多照片时感觉远近都清楚？但当此斑对眼睛的张角小于眼睛的最小分辨角但当此斑对眼睛的张角小于眼睛的最小分辨角1 1时，时，人眼看起来仍为一点。此时，该弥散斑可认为是空人眼看起来仍为一点。此时，该弥散斑可认为是空间点在平面上的像。间点在平面上的像。21一一 弥散斑（弥散斑（Blur CircleBlur Circle）景象平面：象平面景象平面：象平面对准平面：在物空间与景象共轭的平面对准平面：在物空间与景象共轭的平面主光线：主光线：B1B1、B2B2、A A与入瞳中心点的连线，分别为这些点的主光线与入瞳中心点的连线，分别为这些点的主光线对准平面上的弥散斑：对准平面上的弥散斑：B1B1、B2B2沿各自的主光线在对准平面上的投影沿各自的主光线在对准平面上的投影z1z1、z2z2景象平面上的弥散斑景象平面上的弥散斑:z1:z1、z2z2p p2 2p pp p1 122p p2 2p pp p1 123z1、z2的大小的大小 并不都是能被探测器探测清楚的并不都是能被探测器探测清楚的设探测器的允许值为设探测器的允许值为z,z1、z2和和p1、p2有关有关,z决定了对准平面前后多大距离决定了对准平面前后多大距离的物平面能在景象平面上成像清晰的物平面能在景象平面上成像清晰24二二 景深（景深（Field DepthField Depth）景深：在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度景深：在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度近景平面：能成清晰像的最近的平面近景平面：能成清晰像的最近的平面 和和 对应的对应的p p1 1处垂直于光轴的平面，处垂直于光轴的平面，远景平面：能成清晰像的最远的平面，远景平面：能成清晰像的最远的平面，近景深度：近景平面和对准平面的距离，近景深度：近景平面和对准平面的距离，2 2远景深度：近景平面和对准平面的距离，远景深度：近景平面和对准平面的距离，1 1=1+1+2 225设设z为像平面上允许的最大弥散斑直径，为像平面上允许的最大弥散斑直径，26 讨论讨论容许的光斑直径容许的光斑直径zz越大，景深越大越大，景深越大焦距与景深的关系焦距与景深的关系 景深除与入瞳直径景深除与入瞳直径2a2a有关以外，还与对准平面的距有关以外，还与对准平面的距离离 p p 和垂轴放大率和垂轴放大率 有关有关 规定景象平面上的弥散斑大小后，景深随着焦距的增规定景象平面上的弥散斑大小后，景深随着焦距的增大而减小大而减小一定时，27当入瞳大小当入瞳大小2 2a a和对准平面的位置以及极限角一定时，和对准平面的位置以及极限角一定时，远景深度远景深度 近景深度近景深度28 用眼观察照片时，为了得到正确的空间感觉，用眼观察照片时，为了得到正确的空间感觉，照片上图象各照片上图象各点对眼睛的张角应与直接观察空间物体时各对应点对眼睛点对眼睛的张角应与直接观察空间物体时各对应点对眼睛的张角相等的张角相等人眼在正确透视距离来看照片人眼在正确透视距离来看照片29照片上弥散斑直径允许值照片上弥散斑直径允许值 对准平面弥散斑的允许值对准平面弥散斑的允许值 眼睛极限分辩角眼睛极限分辩角 在照相时，缩小光圈（入瞳直径）在照相时，缩小光圈（入瞳直径）景深大景深大,即获得大即获得大的空间深度的清晰象。的空间深度的清晰象。用孔径角取代入瞳直径用孔径角取代入瞳直径 30相对孔径相对孔径D/f=2a/fD/f=2a/f镜头的光圈数相对孔径的倒数镜头的光圈数相对孔径的倒数如果光圈系数的标称值数字越大，也就如果光圈系数的标称值数字越大，也就表示其实际光圈就越小表示其实际光圈就越小 对于一定对于一定f,Df,D越大景深越小越大景深越小标准镜头标准镜头广角镜头广角镜头微距镜头微距镜头望远镜头望远镜头变焦镜头变焦镜头望远镜头望远镜头31要拍摄小景深的照片，如要拍摄小景深的照片，如特定镜头，应选择特定镜头，应选择长焦距长焦距、大的相对孔径大的相对孔径即即小的光圈小的光圈数数，对准距离近。，对准距离近。要拍摄大景深的照片，如要拍摄大景深的照片，如远景镜头，应选择远景镜头，应选择短焦距短焦距、小的相对孔径小的相对孔径即即大的光圈大的光圈数数，对准距离远。，对准距离远。摄影时怎样控制景深摄影时怎样控制景深?32a.a.远景深度远景深度 ,对准平面位于何处？对准平面位于何处？若欲使对准平面以后的整个空间都能在景象平面上成清晰若欲使对准平面以后的整个空间都能在景象平面上成清晰象，即象，即 即从对准平面中心看入瞳时，其对眼睛张角应等于极限分辩角即从对准平面中心看入瞳时，其对眼睛张角应等于极限分辩角 近景为：近景为：把把照照相相物物镜镜调调焦焦于于 处处，在在景景象象平平面面上上可可以以得得到到自自入入瞳瞳前前距距离离为为 处处的的平平面面起起至至无无限限远远的的整整个个空空间间内内物物体体的的清晰象。清晰象。33b b ,即把照相物镜调焦到即把照相物镜调焦到 ，近景位于何处？，近景位于何处？景深是自物镜前距离为景深是自物镜前距离为 的平面开始到无限远的平面开始到无限远第一种情况景深更大。对准平面调在无限远时，景深小些。第一种情况景深更大。对准平面调在无限远时，景深小些。傻瓜相机傻瓜相机34例：现有一照像机，其物镜例：现有一照像机，其物镜 ，现以常摄距离，现以常摄距离 进行拍摄，进行拍摄，相对孔径相对孔径采用采用 试求景深。试求景深。354.4 远心光路远心光路在仪器的实像平面上，放置有已知刻值的透明刻尺在仪器的实像平面上，放置有已知刻值的透明刻尺(分划板分划板)分划板上的刻值已经考虑了物镜的放大率，分划板上的刻值已经考虑了物镜的放大率，按刻度值读得的像高即为物体的尺度按刻度值读得的像高即为物体的尺度测量精度在很大程度取决于像平面与刻尺平面的重合尺度测量精度在很大程度取决于像平面与刻尺平面的重合尺度36 由于景深及调焦误差的存在，如调焦于由于景深及调焦误差的存在，如调焦于A A1 1B B1 1，到使像平面与，到使像平面与刻尺平面不重合的现象，称为刻尺平面不重合的现象，称为视差视差，在分划板上得弥散斑。，在分划板上得弥散斑。量得的长度比量得的长度比ABAB略长，反之若调焦于略长，反之若调焦于ABAB前，测得的长度略短前，测得的长度略短 如果适当地控制主光线的方向，就可以消除或减小视差如果适当地控制主光线的方向，就可以消除或减小视差 37把孔径光阑设在物镜的像方焦平面上即可把孔径光阑设在物镜的像方焦平面上即可物镜射出的每一光束的主光线都通过光阑中心所在的物镜射出的每一光束的主光线都通过光阑中心所在的像方焦点，而在物方主光线都平行于光轴像方焦点，而在物方主光线都平行于光轴物体上同一点发出的光束的主光线不随物体的位置移物体上同一点发出的光束的主光线不随物体的位置移动而发生变化，动而发生变化，38孔阑设于焦平面上的光学系统称远心光学孔阑设于焦平面上的光学系统称远心光学系统。系统。孔阑设于像方焦面，物方主光线平行于光孔阑设于像方焦面，物方主光线平行于光轴，称轴，称物方远心光学系统物方远心光学系统。孔阑设于物方焦面，像方主光线平行于光孔阑设于物方焦面，像方主光线平行于光轴，称轴，称像方远心光学系统像方远心光学系统。39