工程光学郁道银(PPT46页).ppt

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1、工程光学工程光学第第4章章 -2光学系统中的光阑光学系统中的光阑与与光束限制光束限制第一节第一节 光阑光阑第二节第二节 照相系统的光阑照相系统的光阑 第三节第三节 望远镜系统中成像光束的选择望远镜系统中成像光束的选择第四节第四节 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第五节第五节 光学系统的景深光学系统的景深第六节第六节 数码照相机镜头的景深（自学）数码照相机镜头的景深（自学） 第三节第三节 望远镜系统中成像光束的选择望远镜系统中成像光束的选择 一、双目望远镜的组成一、双目望远镜的组成 1 1、构成、构成转像转像物镜、目镜的物镜、目镜的共同焦面上共同焦面上2、光学参数、光学参

2、数6o28 30视觉放大率视觉放大率： 视场角：视场角： 108mmf物18mmf 目物镜焦距：物镜焦距： 目镜焦距：目镜焦距： 5mmD 出瞳直径：出瞳直径： 11mmzl 出瞳距离：出瞳距离： 望远镜系统简化图望远镜系统简化图DDf 物f目与人眼联用与人眼联用,满足满足光瞳衔接原则光瞳衔接原则目视光学系统的目视光学系统的视角放大率：视角放大率： 远处物体经系统所成的像对眼睛张角远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该的正切，与该物体直接对眼睛张角物体直接对眼睛张角 的正切之比。的正切之比。tantan *概念区别：角放大率概念区别：角放大率12tantanff 复习：第二章复习：第二

3、章3、分划板、分划板 视场光阑视场光阑分划板位于物、目两镜的共同焦面上：分划板位于物、目两镜的共同焦面上：入射窗、出射窗均在无穷远处，入射窗、出射窗均在无穷远处，分别与物、像面重合。分别与物、像面重合。tantanff 物目ffDDff物物目目DD 30mmDD 望远镜系统简化图望远镜系统简化图DDf 物f目出出瞳瞳入入瞳瞳hz物hz目hz分1）物镜的左侧）物镜的左侧10mm；2）物镜上；）物镜上；3）物镜右侧）物镜右侧10 mm 。2 2、孔径光阑的位置：、孔径光阑的位置：二、望远镜系统中的光束限制二、望远镜系统中的光束限制 1 1、光瞳衔接原则：、光瞳衔接原则： 前面系统的出瞳与后面系统的

4、入瞳重合。前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。 追迹主光线追迹主光线 的投射高度的投射高度望远镜系统的光阑位置望远镜系统的光阑位置hz物hz目hz分1 1）光阑在物镜的左侧）光阑在物镜的左侧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 物分物物物物目目物物物物物目目目目物目目目目；5mm. tantankkkkhUUf 111t

5、ankkkkhhdU正切计算法正切计算法tanyf2DZ通（h+h ）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）光阑在物镜上：）光阑在物镜上： tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切计算法正切计算法3 3）光阑在物镜右侧）光阑在物镜右侧10mm10mm： ooztg(4.25 )11 tg(4.25 )0.82mmzhl

6、物8mmzh分9.51mmzh目21.3mmzlz11111mm10108zll111zllf物tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切计算法正切计算法2DZ通（h+h ）通光口径计算（表通光口径计算（表4-14-1） h h为轴上点边缘光线投射高度（平行光线）为轴上点边缘光线投射高度（平行光线）三、望远镜系统光束限制的总结三、望远镜系统光束限制的总结1 1、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则；、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则；2 2、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于6mm6mm；4 4、分划板就是视场光阑。、分划

7、板就是视场光阑。3 3、孔径光阑大致在物镜左右；、孔径光阑大致在物镜左右； 4 4、光阑位置对轴外光束位置的选择、光阑位置对轴外光束位置的选择(1)(1)(2)(3)(3)(2) 第四节第四节 显微镜系统中的光束限制和分析显微镜系统中的光束限制和分析 一、简单显微镜系统中的光束限制一、简单显微镜系统中的光束限制 1、显微镜系统的构成显微镜系统的构成二、远心光路二、远心光路 1、孔径光阑在物镜上、孔径光阑在物镜上(a) (a) 测距原理：测距原理：(b) (b) 调焦不准：调焦不准：2) 2) 由于调焦不精确，引由于调焦不精确，引 起像平面和标尺平面起像平面和标尺平面 不重合，从而导致测不重合，

8、从而导致测 量误差。量误差。1) 1) 入瞳与物镜边框重合；入瞳与物镜边框重合；2、孔径光阑在物镜、孔径光阑在物镜 的像方焦平面上的像方焦平面上1) 入瞳位于物方无穷远。入瞳位于物方无穷远。2) A和和A1、B和和B1的主的主光线分别重合，且光线分别重合，且轴外点的主光线平轴外点的主光线平行于主轴。行于主轴。3) 主光线是物点成像主光线是物点成像光束的中心轴，则光束的中心轴，则物点物点A1 B1在刻尺平在刻尺平面构成的两个弥散面构成的两个弥散斑的斑的中心间隔中心间隔始终始终不变。不变。 物方远心光路物方远心光路 (a) 测距原理：测距原理：(b) 调焦不准：调焦不准：三、场镜的应用三、场镜的应

9、用 缺点：出射缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径 必须非常大。必须非常大。 -1-1透镜转像系统：加长光路。透镜转像系统：加长光路。1 1、长光路显微镜系统、长光路显微镜系统 2、降低主光线，减小后续光路口径的办法、降低主光线，减小后续光路口径的办法-1-1转像系统转像系统 场镜：场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。 效果：效果：主光线经场镜后通过主光线经场镜后通过-1-1转像透镜中心，转像透镜中心， 从而对后面系统的口径要求最小。从而对后面系统的口径要求最小。 场镜起到使前后系统的光瞳衔接的

10、作用。场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。 实际设计：实际设计： 在在-1-1转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。场镜的应用场镜的应用四、显微镜系统光束选择的总结四、显微镜系统光束选择的总结1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；4、长光路显微镜系统：、长光路显微镜系统： 利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，利用场镜达到前后系统的光瞳衔接， 减小光学零件尺寸。减小光学零件尺寸。2、一次实像面处安放视场光阑；、一次实像面处安放视场光阑；3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上 物方远心光路物方远心

11、光路第五节第五节 光学系统的景深光学系统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一、光学系统的空间像一、光学系统的空间像1、平面上的空间像：、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。空间点成像于一个像平面上。对准平面对准平面景像平面景像平面共轭共轭 以以入瞳中心入瞳中心为投影中心，以各空间点的为投影中心，以各空间点的主光线主光线为投为投影方向，向影方向，向对准平面对准平面投影，对应投影点在景象平面上的投影，对应投影点在景象平面上的共轭点共轭点即为空间点的平面像。即为空间点的平面像。 平面上的空间像的获得：平面上的空间像的获得： 对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。对准平面

12、外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。弥散斑的直径与弥散斑的直径与入瞳直径入瞳直径、与景象平面的距离与景象平面的距离有关。有关。 或：在像空间以或：在像空间以出瞳中心出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的为投影中心，仍以各空间点的主光线为投影方向，各空间像点向主光线为投影方向，各空间像点向景象平面景象平面投影，可得投影，可得空间点的平面像。空间点的平面像。pp1p1p2p2p 二、光学系统的景深二、光学系统的景深 成像空间的景深：成像空间的景深： 在景象平面上所获得的成清晰像的在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度物空间深度。 远景远景平面平面近景平面近景平面12 入瞳中心：入瞳中心：物空间参数

13、物空间参数的起算原点的起算原点 出瞳中心：出瞳中心：像空间像空间参数参数的起算原点的起算原点对准对准平面的弥散斑直径：平面的弥散斑直径：12z z11zz 22zz 景像景像平面的弥散斑直径：平面的弥散斑直径：1112pppaz2222pppaz由相似三角形得：由相似三角形得：1112pppaz2222pppaz1112ppzap 2222ppzap 1212, ,z za p p p 12,z z是否可以看做一个几何点，取决于其对观测元件的张角！两个因素：观测距离、极限分辨角两个因素：观测距离、极限分辨角 正确透视距离：正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的张观察距离满足照片上各点对

14、人眼睛的张角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。眼睛眼睛ppuDypytantanppyyD以下推导以下推导不考虑正负号不考虑正负号以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：人眼的极限分辨角12zzzzp对准平面上对应弥散斑的允许值：对准平面上对应弥散斑的允许值：11112zapzpp21222zapzpp远景、近景到对准平面的距离：远景、近景到对准平面的距离：221222ppapap 1122zaapp2222zaapp1112ppzap2222ppzap远景、近景到入瞳的距离：远

15、景、近景到入瞳的距离：景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值12zzzDp yDppy1 2清晰像：弥散斑直径对人眼的张角人眼的极限分辨角12, (2 , , )a p 总成像深度总成像深度景深景深22222144paap224tan4tanpUU Upatan22物方孔径角物方孔径角U：轴上物点：轴上物点-入瞳边缘连线与光轴的夹角。入瞳边缘连线与光轴的夹角。眼睛眼睛ppu2a2,aU 例：照相机的原理图例：照相机的原理图光圈大小对于景深的影响光圈大小对于景深的影响224tan4tanpUU Upatan222,aU 对于对于固定焦距和拍摄距离固定焦距和拍摄距

16、离，使用光圈越小，景深越大，使用光圈越小，景深越大n孔径光阑孔径光阑光圈光圈相对孔径相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之比入瞳直径与焦距之比)例例1：现有一照相机，其物镜：现有一照相机，其物镜f=75mm，现以常摄距离，现以常摄距离p=3m进行拍摄，光圈的进行拍摄，光圈的相对孔径相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之入瞳直径与焦距之比比)分别采用分别采用1/3.5和和1/22，试分别求其景深。，试分别求其景深。21222244apap 222222221)1/ 3.5221.433.54243.980.2439842)1/ 2223.412241637.371.637374DfaDmmfapmmmapD

17、faDmmfapmmmap 解：解：10.00029rad人眼的极限分辨角：F/3.5不同光圈的效果不同光圈的效果F/11F/321 1、使、使对准平面前的整个空间对准平面前的整个空间都能在景像平面上成清晰像：都能在景像平面上成清晰像： 1即，远景深度：即，远景深度：三、特例三、特例20ap212pap 景深：自入瞳前距离景深：自入瞳前距离a/处的平面起至无限远。处的平面起至无限远。2ap（对准平面）（对准平面）appapppp222222近景位置：近景位置： p2、照相物镜、照相物镜调焦到无限远调焦到无限远：END4景深：自入瞳前距离景深：自入瞳前距离2a/处的平面起至无限远。处的平面起至无限远。（对准平面）（对准平面）pz 2ap222222zaapp近景位置：近景位置：（一）长景深的照片（一）长景深的照片（二）短景深照片（二）短景深照片作业作业-1图图3-2作业作业-2第第4章课后习题章课后习题4