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1、应用光学-第五章第1页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/1012023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所2 组成光学系统的所有零件都有一定的尺组成光学系统的所有零件都有一定的尺寸大小寸大小实际的光学系统除了应满足前述的实际的光学系统除了应满足前述的物象共轭物象共轭位置关系和成像放大率位置关系和成像放大率的要求外，还要有的要求外，还要有一定的一定的成像范围成像范围前面的研究没有对光学零件的大小加以限制前面的研究没有对光学零件的大小加以限制第2页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术
2、与质量工程研究所3由一点发出能进入透镜或光学系统的光束，其立由一点发出能进入透镜或光学系统的光束，其立体角大小决定于透镜的直径体角大小决定于透镜的直径 5-1 光阑及其作用光阑及其作用 装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制光束的光孔，这个光孔对光学零件来说被称为光束的光孔，这个光孔对光学零件来说被称为“通通光孔径光孔径”第3页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所4光阑的定义：夹持光学零件的金属框（透镜框、棱镜框）夹持光学零件的金属框（透镜框、棱镜框）或者人为设置的
3、装置限制了成像光束的大或者人为设置的装置限制了成像光束的大小，小，光学中这种限制成像光束的光孔称为光学中这种限制成像光束的光孔称为光阑光阑。有些光孔的大小是可变化的，这种光有些光孔的大小是可变化的，这种光阑称为阑称为“可变光阑可变光阑”第4页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所5光阑在光学系统中的作用：决定像面的照度。决定像面的照度。决定系统的视场。决定系统的视场。限制光束中偏离理想位置的一些光限制光束中偏离理想位置的一些光线，用以改善系统的成像质量线，用以改善系统的成像质量 拦截系统中有害的杂散光。拦截系统中有害
4、的杂散光。光阑是实际光学系统成满意（完善）像光阑是实际光学系统成满意（完善）像必不可少的零件。必不可少的零件。第5页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所6光阑按上述的作用分为：光阑按上述的作用分为：孔孔径径光光阑阑视场视场光光阑阑渐晕渐晕光光阑阑消消杂杂光光光光阑阑孔径光阑：孔径光阑：它是它是限制轴上物点成像光束立体限制轴上物点成像光束立体角（锥角）的光阑。角（锥角）的光阑。也就是起到决定能通过光学系统的光能（即像平面也就是起到决定能通过光学系统的光能（即像平面照度）作用的光阑。照度）作用的光阑。第6页，共80页，
5、编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所7视场视场光光阑阑 限制物平面或物空间能被光学系统成像的限制物平面或物空间能被光学系统成像的最大范围的光阑最大范围的光阑称为视场光阑称为视场光阑。视场视场：物平面或物空间能被光学系统成像的最大范物平面或物空间能被光学系统成像的最大范围围称为视场称为视场。第7页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所8 渐晕渐晕光光阑阑 光阑以减少轴外像差为目的，使物空间光阑以减少轴外像差为目的，使物空间轴外点发出的、原本能通过上述两
6、种光轴外点发出的、原本能通过上述两种光阑的成像光束只能部分通过，这种光阑阑的成像光束只能部分通过，这种光阑称为渐晕光阑。称为渐晕光阑。渐晕渐晕由于轴外点成像光束部分被遮挡，造成像由于轴外点成像光束部分被遮挡，造成像的边缘部分亮度比像平面中心暗，这种现的边缘部分亮度比像平面中心暗，这种现象叫渐晕。象叫渐晕。第8页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所9消消杂杂光光光光阑阑 这种光阑不限制通过光学系统中的成像光束，只这种光阑不限制通过光学系统中的成像光束，只限制那些从非成像物体射来的光、光学系统各折限制那些从非成像物体射
7、来的光、光学系统各折射面反射的光和仪器内壁反射的光等，这些光阑射面反射的光和仪器内壁反射的光等，这些光阑称为称为消杂光光阑消杂光光阑。物镜物镜消杂光光阑消杂光光阑分划板第9页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所105-2 孔径光阑、入瞳、出瞳孔径光阑、入瞳、出瞳一、孔径光一、孔径光阑的确定的确定当实际光组中有多个光阑时，确定方法为：当实际光组中有多个光阑时，确定方法为：各个光学孔径：各个光学孔径成像到物空间成像到物空间；：由物点向光阑像边缘引光线，找出光线与光轴的夹角；：由物点向光阑像边缘引光线，找出光线与光轴的夹
8、角；：夹角最小者夹角最小者所对应的光阑即为孔径光阑。所对应的光阑即为孔径光阑。确定方法可以通过图解法，也可以通过解析法。确定方法可以通过图解法，也可以通过解析法。第10页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所11v例例 已知一光学系统由三个零件组成，透镜已知一光学系统由三个零件组成，透镜1其焦距其焦距 f1=-f1=100mm，口径，口径D1=40mm；透镜；透镜2的焦距的焦距f2=-f2=120mm，口，口径径D2=30mm，它和透镜，它和透镜1之间的距离为之间的距离为d1=20mm；光阑；光阑3口径为口径为20m
9、m，它和透镜，它和透镜2之间的距离之间的距离d2=30mm。物点。物点A的位置的位置L1=-200mm，试确定该光组中，哪一个光孔是孔径光阑。，试确定该光组中，哪一个光孔是孔径光阑。F1,F2第11页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所121、图解法、图解法为了使各光阑和物点为了使各光阑和物点A产生直接联系，把它们全部成像产生直接联系，把它们全部成像到物空间去。到物空间去。第12页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所13由物点向各个像边
10、缘引光线，得到夹角最小者所对应的光由物点向各个像边缘引光线，得到夹角最小者所对应的光阑即为孔径光阑阑即为孔径光阑。D1D2D3第13页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所14解：解：1.1.由于透镜由于透镜1 1的前面没有任何光组，所以它本的前面没有任何光组，所以它本身就是在物空间的像。身就是在物空间的像。透镜透镜2 在透镜在透镜1的右边，要使它成像光线须自右向左，的右边，要使它成像光线须自右向左，属于反向光路。而牛顿公式和高斯公式皆由正光路导属于反向光路。而牛顿公式和高斯公式皆由正光路导出，符号规则也由正光路规定
11、，不可随便用于反光路。出，符号规则也由正光路规定，不可随便用于反光路。2、解析法：、解析法：方法：认为透镜方法：认为透镜2是像，求物。是像，求物。第14页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所152 2、因为、因为 f1=-f1=100mm，l 2=20mm，利用高斯，利用高斯公式：公式：F1,F2第15页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所163.3.再求光阑再求光阑3 3被前面光组所成的像被前面光组所成的像。必须注意：必须注意：为了求
12、得光阑为了求得光阑3 3在物空间的像，要使它分别在物空间的像，要使它分别对透镜对透镜1 1、2 2成像。成像。第16页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所17同理，求得光阑同理，求得光阑3在物空间的像在物空间的像D1D2D3第17页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所18物点物点A对对光光阑阑D1 的的张张角角对对D2 的的张张角角对对光光阑阑D3 的的张张角角u2 为为最小，最小，说说明光明光阑阑像像D2 限制了物点的限制了物点的物方
13、孔物方孔径径角角，故，故透透镜镜2的的镜镜框框为为孔孔径径光光阑阑。第18页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所19将孔径光阑将孔径光阑Q1Q Q2通过其前面的透镜成像到物空间去，通过其前面的透镜成像到物空间去，则其像则其像P1PP2 就决定了光学系统的物方孔径角就决定了光学系统的物方孔径角U。-y-UPP1P2UyQQ2Q孔径光阑孔径光阑L1L2U 物方孔径角物方孔径角第19页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所20孔径光阑孔径光阑被
14、其前面的光组被其前面的光组在光学系统在光学系统物空间物空间所所成的像称为成的像称为入射光瞳入射光瞳，简称，简称入瞳。入瞳。-y-UUyQQ2Q孔径光阑孔径光阑L1L2U 物方孔径角物方孔径角PP1P2入射光瞳入射光瞳第20页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所21孔径光阑孔径光阑Q1QQ2被被其后面的其后面的透镜（光组）在透镜（光组）在像空间像空间所成的像所成的像P1PP2 称为称为出射光瞳出射光瞳，简称，简称出瞳出瞳，其决定了系统像方孔径角，其决定了系统像方孔径角U P1P2出射光瞳出射光瞳孔径光阑孔径光阑-y-
15、UPUyQQ2QL1L2U 像方孔径角像方孔径角第21页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所22入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是出入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是出射光瞳射光瞳 入瞳入瞳与与出瞳出瞳对整个光学系统是对整个光学系统是共轭共轭的的。如果孔径光阑在整个光学系统的像空间，如果孔径光阑在整个光学系统的像空间，那么它本身也就是那么它本身也就是出射光瞳出射光瞳；反之，若在物空间，它就是反之，若在物空间，它就是入射光瞳入射光瞳第22页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质
16、量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所23将光学系统中所有光学零件的通光孔将光学系统中所有光学零件的通光孔分别通过其前面的光学零件成像到整分别通过其前面的光学零件成像到整个系统的个系统的物空间物空间去，系统的入射光瞳必去，系统的入射光瞳必然是其中对物面中心的然是其中对物面中心的张角为最小张角为最小的一的一个。个。对于一定位置的物体而言，对于一定位置的物体而言，入瞳入瞳决定了能进入决定了能进入系统成像的最大光束孔径，且系统成像的最大光束孔径，且是是物面上各点物面上各点发出的发出的成像光束进入系统的公共入口成像光束进入系统的公共入口；第23页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/1
17、0 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所24QQQ2A-UP1PP2入射光瞳入射光瞳孔径光阑孔径光阑L1L2 2L2第24页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所25将光学系统中所有光学零件的通光孔将光学系统中所有光学零件的通光孔分别通过其后面的光学零件成像到整分别通过其后面的光学零件成像到整个系统的个系统的像空间像空间去，系统的出射光瞳必去，系统的出射光瞳必然是其中对像面中心的然是其中对像面中心的张角为最小张角为最小的一的一个。个。第25页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/1
18、0 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所26PL1AU孔径光阑孔径光阑QQ2QL2PP出射光瞳出射光瞳L1出瞳是物面上各点的成像光束经系统后出瞳是物面上各点的成像光束经系统后射出系统的公共出口。射出系统的公共出口。第26页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所27 通过入射光瞳通过入射光瞳中心中心的光线称为的光线称为主光线主光线由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。和出瞳中心。显然，主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴显然，主光线是各
19、个物点发出的成像光束的光束轴线。线。光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重要性能光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重要性能参数之一，用参数之一，用 U Umax max 表示。表示。它不但决定了像面的照度，而且还决定了光学它不但决定了像面的照度，而且还决定了光学系统分辨能力系统分辨能力 第27页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所28对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种孔径对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种孔径角相应的性能参数角相应的性能参数 显微系统和投影系统的物镜常用显微系统和投
20、影系统的物镜常用nsinsinU Umaxmax表示，被表示，被称之为称之为数值孔径数值孔径，用，用NANA表示，即表示，即 n n 物方空间的介质折射率。物方空间的介质折射率。物方孔径角物方孔径角U Umaxmax越大，其越大，其数值孔径数值孔径也越大也越大 进入系统的光能越多，理论分辨本领越高进入系统的光能越多，理论分辨本领越高第28页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所29望远系统和摄影系统常用望远系统和摄影系统常用相对孔径相对孔径A来表示来表示 D 入瞳直入瞳直径径 f物物镜镜焦距焦距 相相对对孔孔径径A越
21、大，表明能越大，表明能进进入系入系统统的光能也越多的光能也越多而照相机，而照相机，则则常用另一常用另一个术语个术语光光阑阑指指数数，用，用F来来表示，表示，它它是相是相对对孔孔径径的倒的倒数数，即，即F俗称俗称光圈光圈，相对孔径越大时，光圈数值愈小，相对孔径越大时，光圈数值愈小。第29页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所30必须注意：光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的言的如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光阑如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光阑将会失
22、去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限制。制。在上例中，若物距在上例中，若物距l1=-100mm=-100mm，此时光学系统的孔径光阑为哪一个？，此时光学系统的孔径光阑为哪一个？第30页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所31注：在目视仪器中，出瞳的像一定要成在系统外面，注：在目视仪器中，出瞳的像一定要成在系统外面，以使眼睛的瞳孔与之重合。以使眼睛的瞳孔与之重合。合理选择孔径光阑的位置可以改善轴外点成像质量。合理选择孔径光阑的位置可以改善轴外点成像质量。对于对于无限远的物
23、体无限远的物体，光学系统的所有光孔被其前面的光，光学系统的所有光孔被其前面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的一个光孔像就学零件在物空间所成的像中，直径最小的一个光孔像就是系统的入瞳。是系统的入瞳。第31页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所325-3 视场光阑、入射窗、出射窗视场光阑、入射窗、出射窗光学系统的成像范围是有限的。光学系统的成像范围是有限的。照相机中底片框限制了被成像范围的大小照相机中底片框限制了被成像范围的大小 工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的大小工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的大小
24、这种限制物体成像范围的光阑称为这种限制物体成像范围的光阑称为视场光阑视场光阑第32页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所33一、视场光阑的确定方法：一、视场光阑的确定方法：（2）确定）确定孔径光阑孔径光阑孔径光阑孔径光阑；（1）用计算法或作图法求每一光阑被它前面光组在物空）用计算法或作图法求每一光阑被它前面光组在物空间所成的间所成的像；像；像；像；由由入瞳中心入瞳中心入瞳中心入瞳中心向各光阑在物空间所成的像的边缘引光线，向各光阑在物空间所成的像的边缘引光线，夹角最小者所对应的光阑即为视场光阑。夹角最小者所对应的光阑
25、即为视场光阑。第33页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所34求上例中光组的视场光阑。求上例中光组的视场光阑。f f1 1=-f-f1 1=100mm=100mm，D D1 1=40mm=40mm；f f2 2=-f-f2 2 =120mm=120mm，D D2 2=30mm=30mm，d d1 1=20mm=20mm；D D3 3=20mm20mm，d d2 2=30mm =30mm，L L1 1=-200mm=-200mmD D1 1D D2 2D D3 3F FF F第34页，共80页，编辑于2022年，星期
26、六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所35求出系统每一个光阑被它前面光组在物空间所成的像求出系统每一个光阑被它前面光组在物空间所成的像（此步骤在（此步骤在求孔径光阑时求孔径光阑时已经进行）已经进行）D3（孔径光阑）孔径光阑）D2D1D1D2F1F2D333.33w1w2w3第35页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所36D1 对对入瞳中心的入瞳中心的张张角角为为D2 本身是入瞳，本身是入瞳，D3 对对入瞳中心的入瞳中心的张张角角为为D3 对对入瞳中心的入瞳中心的张张角最小
27、，故光角最小，故光阑阑3是是视场视场光光阑阑。第36页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所37二、相关概念二、相关概念光学系统的视场光阑确定后引入如下概念：光学系统的视场光阑确定后引入如下概念：入射窗入射窗入射窗入射窗：视场光阑视场光阑视场光阑视场光阑被其被其前面光组前面光组前面光组前面光组在在物空间物空间物空间物空间所成的像。所成的像。(简称简称入窗入窗入窗入窗)出射窗出射窗出射窗出射窗：视场光阑视场光阑视场光阑视场光阑被其被其后面光组后面光组后面光组后面光组在在像空间像空间像空间像空间所成的所成的像。像。(简称
28、简称出窗出窗出窗出窗)入窗限制物空间的可成像范围入窗限制物空间的可成像范围出窗限制像空间的成像范围出窗限制像空间的成像范围入窗和出窗共轭。入窗和出窗共轭。第37页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所38在上例中，出窗与视场光阑重合。在上例中，出窗与视场光阑重合。物方视场角物方视场角物方视场角物方视场角：在：在物空间物空间物空间物空间中，中，入窗边缘入窗边缘入窗边缘入窗边缘对对入瞳中心入瞳中心入瞳中心入瞳中心的的张角张角2 2 像方视场角像方视场角像方视场角像方视场角：在：在像空间中像空间中像空间中像空间中，出窗边缘
29、出窗边缘出窗边缘出窗边缘对对出瞳中心出瞳中心出瞳中心出瞳中心的张角的张角2 2 半视场角半视场角 与与也可以表示光组视场的大小，因此常把也可以表示光组视场的大小，因此常把 与与称为视场角。称为视场角。第38页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所39视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替将可能被另外的光孔所代替。第39页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控
30、技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所40实际中入瞳总是有一定的大小实际中入瞳总是有一定的大小则则A1以内的区域每点均以充满入瞳的全部光束成以内的区域每点均以充满入瞳的全部光束成像像A1A2区域内每一点已不区域内每一点已不能用充满入瞳的全部光束能用充满入瞳的全部光束成像，有一部分光线被入成像，有一部分光线被入窗阻挡。窗阻挡。A2A3区域内每点光线被区域内每点光线被入窗阻挡的更多。入窗阻挡的更多。A3点以外的区域每点光线点以外的区域每点光线不能进入入瞳，不能成像。不能进入入瞳，不能成像。渐晕现象渐晕现象入瞳入瞳入窗入窗第40页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈
31、工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所41这种由轴外点发出充满入瞳的光束中部分光线被其他光孔这种由轴外点发出充满入瞳的光束中部分光线被其他光孔遮拦的现象称为轴外点光束的渐晕。遮拦的现象称为轴外点光束的渐晕。物点离光轴越远，渐晕越大物点离光轴越远，渐晕越大渐晕系数：被拦掉的渐晕系数：被拦掉的光束在入瞳面上的截光束在入瞳面上的截面积与入瞳面积之比。面积与入瞳面积之比。由由A1到到A2，渐晕系数，渐晕系数由由0到到0.5由由A2到到A3，渐晕系数，渐晕系数由由0.5到到1因此整个视场由亮逐渐变暗，没有清晰的界限。因此整个视场由亮逐渐变暗，没有清晰的界限。入瞳入瞳入窗入窗第41页，
32、共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所42入射光瞳具有一定大小时，入射光瞳具有一定大小时，没有渐晕的情况也是存在没有渐晕的情况也是存在的的 入射窗和物平面相重合入射窗和物平面相重合 或者或者把视场光阑设置在把视场光阑设置在像平面上像平面上视场具有清晰的界限视场具有清晰的界限 物平面物平面入窗入窗入瞳入瞳出瞳出瞳像平面像平面视场光阑视场光阑出窗出窗第42页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所43光学系光学系统的的视场大小用两种方法表示大小用两
33、种方法表示线视场：线视场：对近距离成像的光组，常用能看到的物对近距离成像的光组，常用能看到的物平面直径来表示平面直径来表示视场角：视场角：对远距离或无限远物体成像的光组，常用对远距离或无限远物体成像的光组，常用角度来表示其视场的大小角度来表示其视场的大小用于近距离成像系统，如显微系统用于近距离成像系统，如显微系统用于远距离成像系统，如望远镜，照相物镜用于远距离成像系统，如望远镜，照相物镜第43页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所44光学系统中还有一种光阑并不限制通过光学系统参光学系统中还有一种光阑并不限制通过光学
34、系统参与成像的光束，只对非成像物体射进系统的杂光起与成像的光束，只对非成像物体射进系统的杂光起限制作用，称为限制作用，称为消杂光光阑消杂光光阑消杂光光阑消杂光光阑。为了改善轴外点的成像，常有意识地缩小某一、二个透镜为了改善轴外点的成像，常有意识地缩小某一、二个透镜直径，挡去一部分成像光线，这种被缩小直径的透镜或光直径，挡去一部分成像光线，这种被缩小直径的透镜或光孔称为孔称为渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑。第44页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所45三、两种光阑作用的比较三、两种光阑作用的比较对对孔孔径径光光阑
35、与视场阑与视场光光阑阑孔孔径径光光阑阑限制成像光束的孔限制成像光束的孔径径，即，即决决定像的照度、分定像的照度、分辩辩率。率。视场视场光光阑决阑决定定视场视场，即物体成像的范，即物体成像的范围围。孔孔径径光光阑缩阑缩小小时时，每一物点成像光束孔，每一物点成像光束孔径径角角变变小，像面照度小，像面照度减减小，小，但成像范但成像范围围不不变变视场视场光光阑缩阑缩小小时时，成像范，成像范围变围变小，但能成像物点的孔小，但能成像物点的孔径径角不角不变变，即像的照度不，即像的照度不变变。第45页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程
36、研究所46作业：将一个直径作业：将一个直径D D1 1=30mm=30mm、焦距为、焦距为f f=40mm=40mm的薄透的薄透镜做成一放大镜，眼瞳镜做成一放大镜，眼瞳2 2放在透镜像方焦点放在透镜像方焦点F F1 1上，眼上，眼瞳直径瞳直径D D2 2=4mm=4mm，物面放在透镜物方焦点，物面放在透镜物方焦点F F1 1上，试分上，试分析系统中的孔径光阑、视场光阑、入瞳、入窗、物方析系统中的孔径光阑、视场光阑、入瞳、入窗、物方孔径角、物方视场角和线视场，视场内有无渐晕？孔径角、物方视场角和线视场，视场内有无渐晕？第46页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术
37、与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所475-4 光学系统的景深光学系统的景深（5-5）上节讨论在垂直于光轴的平面上点的成像问题。上节讨论在垂直于光轴的平面上点的成像问题。如：照相制版物镜和电影放映物镜如：照相制版物镜和电影放映物镜实际上有很多光学仪器需要把空间中一定范围实际上有很多光学仪器需要把空间中一定范围内的物点成像在一个像平面上（称为平面上的内的物点成像在一个像平面上（称为平面上的空间像），如照相物镜等就属于这一类。空间像），如照相物镜等就属于这一类。第47页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所48
38、入瞳入瞳出瞳出瞳BB1abB01B2B3B4PPAB04B03B02B2”B3”B4”B1”B4B3B2ABabB1AB对准平面对准平面AB景像平景像平面面第48页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所49ab和和a b 的大小和入射光瞳的直的大小和入射光瞳的直径径有有关关，入射光，入射光瞳直瞳直径减径减少，弥散斑也少，弥散斑也随随之之减减少少 物空物空间间各空各空间间点的成像，相点的成像，相当当于以入射光瞳中心于以入射光瞳中心为为投影中心投影中心，以，以主光主光线线为为投影投影线线，将将各点投影各点投影到到对对准平
39、面上后，再成像到景象平面上。准平面上后，再成像到景象平面上。或者在像空或者在像空间间以出射光瞳中心以出射光瞳中心为为投影中心，投影中心，各空各空间间像点沿主光像点沿主光线线投影到景象平面上，即投影到景象平面上，即是空是空间间物点的平面像。物点的平面像。第49页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所50如果入瞳位置如果入瞳位置对对于物于物方空方空间间点（即景物）点（即景物）位置位置发发生生变变化，化，则则景景象也象也随随之之变变化化 投影中心作前后移投影中心作前后移动时动时，投影像的投影像的变变化和景物是化和景物是不成
40、比例的，不成比例的，这种现这种现象象称为称为景象畸景象畸变变，也，也称为称为透透视视失失真真。对对准准平平面面AAAAPPS1S2入入射射光光瞳瞳出出射射光光瞳瞳景景像像平平面面P第50页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所51根据理想光根据理想光学学系系统统特性，物空特性，物空间间一一个个平面，在像空平面，在像空间间只有一只有一个个平面平面与与之共之共轭轭。讨论讨论:当当入射光瞳一定入射光瞳一定时时，在物空，在物空间间有多有多大深度范大深度范围围的物体能在景象平面上成的物体能在景象平面上成清清晰晰像像(以以摄摄影
41、物影物镜为镜为例）例）第51页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所52任何光接收器都不能接受到真正的几何像点，且任何光接收器都不能接受到真正的几何像点，且分辨本领也不一样，因此只要像的弥散斑足够小分辨本领也不一样，因此只要像的弥散斑足够小并能满足接受器的分辨本领，就可人为这个弥散并能满足接受器的分辨本领，就可人为这个弥散斑是一个点斑是一个点一个光学系统是能对一个光学系统是能对空间物体空间物体成成一个清晰的一个清晰的平面像平面像能在像平面上获得清晰像并沿光轴方能在像平面上获得清晰像并沿光轴方向的向的物空间深度物空间深
42、度称为称为成像空间深度成像空间深度(景景深深)第52页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所53ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1设在设在B1点和点和B2点之间的物空间各点均能在像点之间的物空间各点均能在像平面平面A成清晰像成清晰像第53页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所54ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1l1=p1-p称为后
43、景深；称为后景深；l2=p-p2称为前景深称为前景深总景深总景深l=l1+l2=p1-p2为前后景深之和为前后景深之和第54页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所55ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1A为为对准平面对准平面，其对应的是，其对应的是景像平面景像平面A第55页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所56ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2
44、AB1z2z1能成清晰像的能成清晰像的最远最远平面（平面（B1）称为）称为远景远景能成清晰像的能成清晰像的最近最近平面（平面（B2）称为）称为近景近景 第56页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所57ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第57页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所58ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第58页，共80
45、页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所59ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第59页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所60人在看图片时，一般是把图片放在眼前人在看图片时，一般是把图片放在眼前250mm处，处，被称为被称为明视距离明视距离Mll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第60页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工
46、大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所61若弥散斑在明视距离对眼睛的张角若弥散斑在明视距离对眼睛的张角小于小于分辨角，分辨角，看上去就是一点看上去就是一点ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第61页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所62人眼的分辨率人眼的分辨率ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第62页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大
47、测控技术与质量工程研究所63ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第63页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所64ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第64页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所65前景深前景深后景深后景深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第65页，共80页，编辑于2
48、022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所66由于由于那么那么ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1第66页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所67总景深为总景深为第67页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所68从从l1、l2看出，看出，摄影物影物镜的后景深大于前的后景深大于前景深景深，这与以下有关：与以下有关：入瞳直入瞳直径径D：当
49、当D越小，其景深越大，反之越小，其景深越大，反之则则相相反；反；从从DF=f 可知，若想可知，若想获获得得较较大的景深需要大的景深需要较较大的光大的光圈指圈指数数F，但，但这时这时在在f 不不变变的情的情况况下，入瞳下，入瞳较较小小所所进进入的光能也入的光能也较较小，需要小，需要较长较长的曝光的曝光时间时间。当当共共轭轭面的面的一定一定时时，f 越越长长，则对则对准平面越准平面越远远，即即p越大，景深越大。越大，景深越大。第68页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所69例例5-4 有一有一摄影物影物镜，若要求，若要
50、求对准平面后的空准平面后的空间均能在景像均能在景像平面上成清晰像，平面上成清晰像，问对准距离准距离应为多少？近景位于何多少？近景位于何处？解：欲使解：欲使l1为为无限大，其公式的分母无限大，其公式的分母为为零，就有零，就有 将将p值值代入前景深公式，就可得到前景深和近景距：代入前景深公式，就可得到前景深和近景距：第69页，共80页，编辑于2022年，星期六2023/4/10 哈工大测控技术与质量工程研究所哈工大测控技术与质量工程研究所70例例5-5 照相机物照相机物镜焦距焦距为75mm，在，在对准平面离相机准平面离相机2m时，所用的光圈指数，所用的光圈指数为11和和5.6；设眼睛分辨率眼睛分辨