第三章光学系统中的光束限制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工 程 光 学,信息科学与技术学院,授课教师：王 颖,第三章 光学系统中的光束限制,由于成像理论的完善，构成了许多在科学技术和国民经济中,得到广泛应用的光学系统，本章主要介绍摄像系统和望远系,统。,实际光学系统和理想光学系统不同，必须限制参与成像的光,束宽度和成像范围以保证成像质量。其限制来自光学零件尺,寸大小。光学系统不同，参与成像的光束位置和宽度要求不,同。,1.,照相系统和光束限制,2.,光学系统的景深,3.,望远镜系统及光束的选择,4.,显微镜系统中光束的限制与选择,单镜头反光照相机（,SLR),3.1,照相系统,一、摄影系统的组成,由摄影物镜和感光元件组成。,二、摄影系统的光学特性参数,焦距,f,，相对孔径,D/f,，视场角,2,，,景深。,焦距,决定成像的大小；,相对孔径决定像面照度；,视场决定成像范围。,1.,视场,影响因素：,焦距，接收器尺寸,像的大小与焦距的关系,：,照像系统的基本结构,照相系统的基本结构图,由照相镜头、可变光阑和感光底片组成,在拍摄远处物体时，像的大小为：,在拍摄近处物体时，像的大小为：,普通照相机标准镜头的焦距为,50mm,镜头的焦距与像的大小,1.,像的大小,增大像距,放大图像,在镜头与相机之间加接圈增加像距,2.,视场,影响因素：,焦距，接收器尺寸,当接收器的尺寸一定时，物镜的焦距越短，则其视场角越大，焦距越长，视场角越小。,3.,分辨率,影响因素：,物镜的分辨率和接收器的分辨率,分辨率的度量,以像平面上每毫米内能分辨开的线对数,Cy/mm,表示。,经验公式,：,理论分辨率：,光圈数：,物方最大视场角,物镜分辨率,接收器分辨率,视场和焦距的关系,三、照像系统的光束限制,光阑,：,限制成像光束的光孔或限制成像范围的光孔或框，分为视场光阑和孔径光阑。,孔径光阑,：,限制进入光学系统的成像光束的光孔口径的光阑。,视场光阑：,限制成像范围的光阑。,不同的光学系统，由于对成像要求不同，其对光束的约束也不同，光阑在光学系统中的位置会不同。,孔径光阑的位置对光束的选择,孔径光阑对轴上点光束的限制,孔径光阑的位置对轴上,点光束宽度成像无限制,孔径光阑的位置对光束的选择,孔径光阑对轴外点光束的限制,孔径光阑位置对轴外点的光,束宽度的成像产生较大影响,M,M,N,N,M,N,渐晕、渐晕光阑及渐晕系数,透镜的边框起到“拦光”的作用即渐晕光阑,渐晕系数：,入瞳和出瞳,孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间成的,像称为,入瞳,，它是入射光束的入口,孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统物空间成的,像称为,出瞳,，它是出射光束的出口,入瞳和出瞳,视场光阑及入射窗、出射窗,视场光阑经其前面的光组在物空间所成的像，称为光学系统的入射窗,视场光阑经其后面的光组在物空间所成的像，称为光学系统的出射窗。,孔径光阑在组合透镜中的位置,四、,光学系统的景深,一、,空间的物点成像,2.,光瞳和视场对成像的影响,二、光学系统的景深,3.,正确透视条件,4.,光学系统的景深,1.,概念：,景深,：,成像清晰的空间深度,远景深度：,远景平面距对准平面的距离,近景深度：,近景平面距对准平面的距离,2.,景深公式：,由,由相似三角形关系得：,由此得：,由：,景深和焦距及孔径光阑的关系,景深和焦距以及入瞳直径有关系,拍摄距离和光圈数影响景深,孔径光阑越小景深越大,3.,像面照度,物体在无限远时,，,0,，则：,对大视场物镜有：,调节曝光量，改变成像质量,二、孔径光阑孔径的调节,三、摄影物镜的类型,1.,像差校正要求,：,大视场，大相对孔径需要校正轴外点和轴上点像差,2.,基本类型介绍,普通摄影物镜，大相对孔径摄影物镜,广角摄影物镜；远摄物镜,变焦距物镜,变焦比：,焦距为：,天,塞,物,镜,双,高,斯,物,镜,广,角,物,镜,远,摄,物,镜,变,焦,物,镜,四、照相光学系统小结,照相光学系统中根据,轴外光束的像质,来选择孔径光阑的位置，大致位置在物镜的某个空气间隔中。,在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅仅由孔径光阑的口径确定，而且还和渐晕光阑的口径有关。,在照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。,孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或矩形等。,3.2,望远系统,一、望远系统的结构,一、望远系统的基本结构,光学数据,视角放大率,:,视场角,:,2,出瞳直径,:,D,出瞳距离,l,z,物镜焦距,:,f,物,目镜焦距,:,f,目,二、望远系统的光学参数,1.,视觉放大率,望远镜的视角放大率与物体的位置无关，仅取决于望远系统的结构，欲增大视角放大率，必须增大物镜的焦距或减少目镜的焦距，但目镜的焦距,不小于,6,mm,，,使得望远系统保持一定的出瞳距。,望远系统的分辨率：,按瑞利判断：,按道威判断：,即入射光瞳直径,D,越大，极限分辨率越高,视觉放大率和分辨率的关系,有效放大率：,满足分辨要求的最小视觉放大率,工作放大率：,分辨角,2.,望远系统的分辨率,艾里斑半径,1.,开普勒望远镜：,物镜框是孔径光阑、分划板是视场光阑、出瞳、入瞳、目镜框是渐晕光阑,物方视场角,为：,视场角,2,一般不超过,15,2.,伽利略望远镜,瞳孔为孔径光阑，物镜框为视场光阑,渐晕,当视场为,50,渐晕（,K=50%,）,时，其视场角,最大视场（渐晕系数,K,0,）,视觉放大率,视 场,3.,望远镜的视场,开普勒望远镜,伽利略望远镜,2.,其它形式的望远系统,三、望远系统中的光束限制,光瞳衔接原则：前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合。,孔径光阑在不同位置处的计算,1),物镜左侧,10mm,2),物镜上,3),物镜右侧,10mm,孔径光阑处于不同位置时光束的成像,三、望远光学系统小结,两个光学系统连用时，一般应满足光瞳衔接原则,目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于,6mm,望远光学系统的,孔径光阑大致在物镜左右,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。,3.3,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,远心光路,二、场镜的应用,场镜,场镜的作用：压低光线，减小后续光阑光瞳直径,三、显微镜光学系统小结,一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微镜上，一次实像面处安置系统的视场光阑。,显微系统用于测长等目的时，为了消除测量误差，孔径光阑安放在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远心光路”,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。,二、光学系统的景深,4.,例题,设 入射光瞳直径为 当把对准平面调焦在无穷远处时，求近景位置，若使远景平面无限远，求对准平面和近景位置。若使 求远景和近景的深度和位置。,3.5,光束限制的应用举例,编码计数型开关,脉冲测距仪,本章小结,1.,照相系统的结构，掌握视场光阑，孔径光阑、如瞳，出瞳的概念，以及照相程序系统对光阑位置的要求,2.,望远系统的 基本结构和视场放大率,3.,显微镜系统的基本形式,4.,景深的概念和计算,