应用光学课件(精品)

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,应用光学讲稿,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,*,第五章 光学系统中,成像光束的选择,实际光学系统都是由若干透镜组和平面镜棱镜系统组成的,每个光学零件都有一定的大小，能够进入系统成像的光束总是有一定的限度的。,决定每个光学零件尺寸的是系统中成像光束的位置和大小,，因此，在设计光学系统时，都必须考虑如何选择成像光束的位置和大小的问题。,引入,H,H,F,F,问题,:,透镜口径与什么有关？,1.,成像光束的大小,D,2.,成像光束的位置,D,1,D,2,本章要解决的问题：,如何选择成像光束的位置,选择成像光束的原则,限制光束的方法,5-1,光阑及其作用,一 照相机的构造,光学系统中，不论是限制成像光束口径大小还是限制成像范围的孔或框都称为“光阑”。,镜头：起成像作用,底片：感光部分,光阑：限制成像光束，可,变光阑,二 光阑概念,1,、孔径光阑（,Aperture Stop,）,限制进入光学系统光束口径的光阑,2,、视场光阑（,Field Stop,）,限制成像范围的光阑,底片框,3,、消杂光光阑（,False,Light,Stop,）,消除杂散光的光阑,在照相机中：孔径光阑,可变光阑,视场光阑,-,底片框,三 渐晕,由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像平面边缘比中心暗的现象称为“渐晕”。,线渐晕系数,面渐晕系数,当透镜口径一定时，视场角超过某一范围，成像光束就不能充满孔径光阑,MN,，而被透镜框切割。透镜框虽不限制轴上点的光束口径，但对视场边缘成像光束口径仍有限制作用。,给渐晕的原因,为了减小元件的口径,为了去处某些像差较大的光线,在某些望远镜中，渐晕系数可以达到,0.5,孔径光阑：限制轴上点或视场中央部分（无渐晕）成像光束口径的光阑。,有渐晕时，斜光束的宽度不单由孔径光阑的口径确定，而且还与其余光学零件或光阑的口径有关,5-2,望远系统中成像光束的选择,一、双目望远镜,1,、,光学系统图,视放大率：,=6,成像范围（视场角）：,2,=8,30,出瞳直径：,D,=5mm,出瞳距离：,l,z,11mm,物镜焦距：,f,物,=108mm,目镜焦距：,f,目,=18mm,1,、轴上光束传播情况,F,物,30,将棱镜展开成平行玻璃板,对于轴向光束，物镜口径最大，目镜口径较小,F,物,30,为满足光学特性的要求，各光学元件的通光口径至少应保证轴向光束通过。,2,、轴外光束传播情况,F,物,a,a,b,b,a-a 30,加大 加大,b-b 60,加大 最大,物镜 棱镜 目镜,选择,a-a,光束，把物镜框取为,30,即可,。,此时，物镜框限制了进入系统的光束口径，即为孔径光阑。,视场光阑在像平面上，分划镜框即为视场光阑。,分划镜框大小,3,、几个概念,出射瞳孔：孔径光阑在系统像空间的像，出瞳,入射瞳孔：孔径光阑在系统物空间的像，入瞳,出射瞳孔距离：出瞳离系统最后一面的距离,入射瞳孔距离：入瞳离系统第一面的距离,出瞳：是光能最集中的地方，为了看清整个视场，眼睛的瞳孔应该和出瞳重合。,对出瞳距离必须有一定的要求，一般仪器大于,6,毫米，对于军用仪器，要大一些，可能大于,20,毫米。,出瞳直径的大小，直接与像的亮暗有关,问题：,是否出瞳直径越大越好，出瞳距离越长越好？,二、周视瞄准镜,1,、,光学系统图,视放大率：,=3.7,物方视场角：,2,=10,出瞳直径：,D=4mm,出瞳距离：,l,z,20mm,物镜焦距：,f,物,=80mm,目镜焦距：,f,目,=21.6mm,2,、展开图,3,、轴向光束：,入瞳直径,D=D,=43.7=14.8mm,位置对称于光轴,为满足光学特性的要求，各光学元件的通光口径至少应保证轴向光束通过。,4,、轴外点成像光束的选择,孔径光阑的选择,应该选择在轴向光束口径最大的元件上，现在，轴向光束口径最大的元件为保护玻璃，直角棱镜，道威棱镜，物镜,综合考虑，将孔径光阑选在道威棱镜上,体积最大，位于中间,F,物,a,a,lz,o,D,入瞳,孔径光阑,视场光阑,出瞳位置的确定,出瞳位置是对出射光束位置的要求,回忆双目望远镜特点：整个视场没有渐晕，斜光束与轴向光束口径相同。物镜为孔径光阑，物镜垂直放置，可视为薄透镜，位置确定，孔径光阑在像空间的像（即出瞳）也是确定的。,周视瞄准镜中斜光束通过时的情况,由于道威棱镜的前后两个表面均切割光线，整个斜光束孔径都小于轴向光束，整个视场都存在渐晕,由主光线与光轴交点确定出瞳、入瞳的位置,O,O,L,z,孔径光阑在道威棱镜上，但道威棱镜有一定的长度，在像空间也有一定范围，无法确定出瞳。我们采用直接根据出射光束位置来确定。,主光线：光束的中心光线，通过孔径光阑中心,周视瞄准镜中斜光束通过时的情况,中点,O,叫做系统的名义孔径光阑,O,O,L,z,在道威棱镜的情形下，实际限制光束的是棱镜的两端，他们共同作用的结果，相当于在中点,O,处，设有一个孔径光阑。,问题,1,：双目望远镜中，出瞳定义为孔径光阑在像空间的像；,周视瞄准镜中，出瞳为出射主光线与光轴的交点。,这两种定义是否有矛盾？,无渐晕的情况下，用主光线与光轴交点作为出瞳也能解释。,无渐晕时，主光线必然通过孔径光阑中心，出射主光线必然通过孔径光阑中心在像空间的像，也就是主光线与光轴的交点，所以二者是一致的。,F,物,a,a,o,入瞳,孔径光阑,视场光阑,问题,2,：斜光束视场角变化时，出瞳入瞳位置会不会随之改变？,o,在道威棱镜的情形，系统整个视场都存在渐晕时，入瞳、,出瞳位置不随视场角改变,有些情况下，系统并不是整个视场都有渐晕，而是一定视场内无渐晕，视场超过一定大小后才有渐晕。,例子：望远镜,-,0,-,出瞳,眼点,Lz,按照视场中央没有渐晕的部分光线来确定出瞳位置,。,眼点：边缘视场主光线与光轴的交点,眼点距离,眼点和出瞳不能相差过大,，为什么？,三、总结,为什么要选择成像光束？,成像光束的位置和大小直接影响各个光学零件的大小。,选择成像光束实际上就是选择斜光束，因为轴向光束不能选择；选择的出发点一般就是使光学零件尽量小，尺寸均匀。,选哪部分光束进来要靠孔径光阑的位置和大小确定；一般原则是把孔径光阑选在轴向光束最大的那些光学零件上。,出瞳位置的确定问题,。,整个视场都无渐晕：双目望远镜。出瞳即为孔径光阑在像空间的像；,整个视场都有渐晕：周视瞄准镜。由主光线与光轴交点来确定。,当视场超过一定范围后才开始有渐晕：按无渐晕部分确定出瞳位置。,有些系统人眼就是限制光束的孔径光阑，也是出瞳。,视场光阑,视场光阑必须与系统的实像平面重合或接近；,有的系统不存在实像平面，无法设置视场光阑，视场边缘存在一个由亮到暗的过渡区域，没有清晰的视场边界,。,例题,:,一个开普勒望远镜由焦距为,240,毫米，直径为,40,毫米的物镜和焦距为,30,毫米的目镜组成，孔径光阑位在物镜框上，分划板的直径为,20,毫米。问物方视场角为多少？出瞳距离为多少？出瞳直径为多少？,（,1,）,，所以 即为物方视角。,（,2,） ，所以 即为像方视角。,（,3,）出瞳是孔径光阑在系统像空间所成的像，对目镜来说：,由 可得： 解得,（,4,） 所以,5-3,显微镜中的光束限制、远心光路,一、一般显微镜中光束限制的情况：,显微镜原理图：,1,、成像范围：用成像物体的最大尺寸表示，即线视场。,线视场的大小由像面上放置的框大小决定。它限制了观察范围，因此它是视场光阑。,考虑到显微镜互换性，通常视,场光阑为,2y,=20mm,由,y = y/,若,=40,y,max,=20/40=0.5mm,2,、成像光束的大小,:,用轴上点发出的光束与光轴的夹角来表示,U :,物方孔径角,U,:,像方孔径角,由光轴转向光线,若已知,D,和视放大率，如何求入射光束口径？,由于,显微镜物方孔径角,u,和,物方折射率,n,的,乘积,nu,叫做数值孔径，,NA,对于显微物镜,n,=1,为保证出射光束有一定大小，,D,1mm,则,NA,/500,增大,NA,的方法：,NA=,nu,1,、,提高,u;,2,、,提高,n;,使用油浸物镜。,NA,的选择：越大越好。,1,、,NA= D,/500, D,一定，要求,大，,需,增大,NA;,一定，要求,D,大，,亮，也需,增大,NA.,2,、,NA,与显微镜的分辨率有关，,NA,越大，分辨率越高。,例：选用一个,15,X,目镜，,3,X,物镜，构成一个显微镜，物镜的,NA,应该为多大？,一般,3,X,显微镜物镜的,NA=0.1,。,显微镜目镜有,5,X,，,6,X,，,10,X,，,15,X,，,都可以与,3,X,物镜配合。,二、测量显微镜中的光束限制情况,1,、测量物体大小的显微镜,：,2y,2y,物镜的标尺离透镜的距离固定不变，垂轴放大率,是一个常数，测出像高,y,，,即可算出物高,y=y,/,误差：物平面位置须准确，像平面才能与标尺重合,A,1,B,1,A,B,B,A,B,1,A,1,y,1,y,当物平面位置不准确时：,误差的原因：,像平面上测量的是弥散圆的中心，即主光线与像平面的交点。由于孔径光阑位在物镜处，主光线随着物平面的移动而改变，其与像平面的交点也随之改变。,解决的办法：使主光线不变,远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处,孔径光阑,y,1,=y,入射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平面的交点位置也不变,物方远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处，入瞳在无限远,2,、用于大地测量的显微镜：,F,物,y,y,-f,物,-l,需要测量距离，物镜焦距已知，物体高度（标杆）已知，测出像高,y,，,即可求出物距,若孔径光阑位在物镜处，如果调焦不准，就会带来误差,A,B,A,B,y,y,1,当像平面与标尺分划刻线不重合时：,出射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平面的交点位置也不变,像方远心光路：将孔径光阑放置在物方焦平面处，出瞳在无限远,远心光路不能随意乱用,5-4,场镜的特性及其应用,一、场镜的作用,物镜,目镜,F,目,F,物,物镜,场镜,目镜,场镜的作用：在不改变光学系统成像特性的前提下，改变成像光束的位置。,二、应用举例：,O,1,O,2,物镜,场镜,目镜,-L,L,三、场镜焦距的计算,O,1,O,2,物镜,场镜,目镜,-,l,l,如图，假定前组透镜到它的像平面距离为,150mm,后组透镜离开中间像平面的距离为,100mm,F,物,物镜,场镜,目镜,问题：场镜是否都是正透镜？,5-5,空间物体成像的清晰程度：景深,一、景深的定义,能够在像面上获得清晰像的物空间深度，就是系统的景深。,二、公式推导,而,两式相减并通分，得,或者,代入 的表达式，得,由上式求解 ，并将 用 代替得,同理，,由,A,1,到,A,2,平面得总距离代表了景深。,三、性质,1,、容许的光斑直径越大，景深越大；,2,、照相物镜的相对孔径与焦距和景深的关系：,景深与相对孔径成反比。,3,、若要求最远的清晰范围直到无限远，求最近的基准物平面位置和总成像深度。,最近的清晰物平面位置用 表示，即,由无限远到 即为总的成像深度。,例：一照相物镜的焦距为,50,毫米，相对孔径为,D/f=1/5,，,对,2,米远的目标照相，,Z0.05,可认为成像清晰，求能清晰成像的最远和最近距离,景深：,求,