物理光学与应用光学第四章幻灯片.ppt
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1、物理光学与应用光学第四章第1页,共99页,编辑于2022年,星期一因为每个光学零件都有一定的大小,能够进入系统成像因为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有一定限制的。决定每个光学零件尺寸的就是的光束总有一定限制的。决定每个光学零件尺寸的就是系统中成像光束的位置和大小。系统中成像光束的位置和大小。光学系统除了物象共轭,成像放大率要求外,还要有光学系统除了物象共轭,成像放大率要求外,还要有一定成像范围的要求。一定成像范围的要求。因为像平面上要有一定的光能和反映物面细节的能力因为像平面上要有一定的光能和反映物面细节的能力(分分辨率,由衍射理论知与孔径成正比的辨率,由衍射理论知与孔径
2、成正比的)。第2页,共99页,编辑于2022年,星期一光阑及其作用光阑及其作用1.1.作用作用限制成像光束的孔径角,成像的范围,当然也就限制了限制成像光束的孔径角,成像的范围,当然也就限制了进光量的多少,像的亮度;就限制了成像的大小了。进光量的多少,像的亮度;就限制了成像的大小了。通光孔径通光孔径例例:在光学系统中,装夹透镜和其他零件的金属框:在光学系统中,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。的内孔边缘就是限制光束的光孔。而仅仅靠他们来限制光束不远远不够的,还需要特意设置而仅仅靠他们来限制光束不远远不够的,还需要特意设置限制光束的装置的。限制光束的装置的。2.2.光阑光阑
3、带孔的金属薄片。通常形状是圆的,其中心和光轴带孔的金属薄片。通常形状是圆的,其中心和光轴重合,其平面与光轴垂直。重合,其平面与光轴垂直。光阑光阑第3页,共99页,编辑于2022年,星期一光阑的分类光阑的分类1.1.孔径光阑孔径光阑它是限制轴上物点成像光束立体角的。它是限制轴上物点成像光束立体角的。在有些光学系统中是有特定要求的。在有些光学系统中是有特定要求的。它决定轴上点发出的平面光束的孔径角。它决定轴上点发出的平面光束的孔径角。M1N1光阑光阑第4页,共99页,编辑于2022年,星期一(1)(1)在目视光学系统中,光阑或者光阑的像一定要在目视光学系统中,光阑或者光阑的像一定要 在光学系统的外
4、边,使眼睛的瞳孔可以与之重在光学系统的外边,使眼睛的瞳孔可以与之重 合,以达到良好的观察效果。合,以达到良好的观察效果。例例:(2)(2)在计量光学系统中,为了达到精确的测量,在计量光学系统中,为了达到精确的测量,光阑常放在物镜的焦平面上。形成光阑常放在物镜的焦平面上。形成“远心光路远心光路”。除此以外,光学系统中的光阑位置是可以任意选择的,但是,除此以外,光学系统中的光阑位置是可以任意选择的,但是,合理的选择光阑的位置可以改善轴外点的成像质量。合理的选择光阑的位置可以改善轴外点的成像质量。12M1M2N1N2光阑光阑第5页,共99页,编辑于2022年,星期一当光阑位置改变时,应相应的改变其大
5、小,以保证轴上点当光阑位置改变时,应相应的改变其大小,以保证轴上点光束的孔径角不变光束的孔径角不变合理选择光阑的位置,在保证成像质量的前提下,可以使合理选择光阑的位置,在保证成像质量的前提下,可以使整个光学系统的尺寸减少,系统的结构均称。整个光学系统的尺寸减少,系统的结构均称。12M1M2N1N2光阑光阑第6页,共99页,编辑于2022年,星期一2.2.视场光阑视场光阑它是决定物平面上或物空间中成像范围的光阑。它是决定物平面上或物空间中成像范围的光阑。以上的两种光阑是光学系统系统中最重要的光阑,任何系统以上的两种光阑是光学系统系统中最重要的光阑,任何系统都有这两种光阑的都有这两种光阑的 。3.
6、3.消杂光光阑消杂光光阑(3)(3)该光阑不限制通过光学系统的成像光束,只限制那些从该光阑不限制通过光学系统的成像光束,只限制那些从 非成像物体射来的光,非成像物体射来的光,例如:例如:各反射面反射的光,仪器内壁反射的各反射面反射的光,仪器内壁反射的光等。光等。(1)(1)杂光杂光(2)(2)其危害:使像面产生明亮的背景,降低像的衬度其危害:使像面产生明亮的背景,降低像的衬度非成像的光,来自反射面反射的光,仪器内壁反射的光等。非成像的光,来自反射面反射的光,仪器内壁反射的光等。第7页,共99页,编辑于2022年,星期一(4)(4)当然也只是一些重要的光学系统,专门设置消杂光光阑当然也只是一些重
7、要的光学系统,专门设置消杂光光阑 的,且可以有几个的。的,且可以有几个的。例如例如:天文望远镜,长焦距平行:天文望远镜,长焦距平行 光管等。光管等。(5)(5)一般的系统仅仅使用其镜管内壁加工成内螺纹,并涂以一般的系统仅仅使用其镜管内壁加工成内螺纹,并涂以 黑色无光漆或者煮黑来达到消杂光的目的。黑色无光漆或者煮黑来达到消杂光的目的。分划板分划板消杂光光阑消杂光光阑物镜物镜第8页,共99页,编辑于2022年,星期一第一节第一节 光阑光阑1 1、孔径光阑的定义和作用、孔径光阑的定义和作用一、孔径光阑一、孔径光阑 (Aperture Stops)含义含义1 1:限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。
8、限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。限制成像光束和成像范围限制成像光束和成像范围第9页,共99页,编辑于2022年,星期一 含义含义2 2:孔径光阑的位置不同,但孔径光阑的位置不同,但都起到了对轴上物点成像光束都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用宽度的限制作用;只需相应的改变光阑大小,即可保证轴上物点成;只需相应的改变光阑大小,即可保证轴上物点成像光束的孔径角不变。像光束的孔径角不变。第10页,共99页,编辑于2022年,星期一 含义含义3 3:孔径光阑的位置不同,则对应于孔径光阑的位置不同,则对应于选择轴外物点发出光选择轴外物点发出光束的不同部分参与成像束的不同部分参与成像。孔径光阑的
9、定义:孔径光阑的定义:1 1)限制轴上物点成像光束孔径角的大小(宽度);)限制轴上物点成像光束孔径角的大小(宽度);2 2)选择轴外物点成像光束的位置。)选择轴外物点成像光束的位置。第11页,共99页,编辑于2022年,星期一2 2、入射光瞳与出射光瞳、入射光瞳与出射光瞳(Entrance and Exit pupils)Pupils:The image of the Aperture Stops入射光瞳:入射光瞳:孔径光阑经其前面光学系统所成的像(物空间)孔径光阑经其前面光学系统所成的像(物空间)出射光瞳:出射光瞳:孔径光阑经其后面光学系统所成的像(像空间)孔径光阑经其后面光学系统所成的像(
10、像空间)照相机镜头中的孔径光阑照相机镜头中的孔径光阑第12页,共99页,编辑于2022年,星期一孔径光阑孔径光阑孔径光阑孔径光阑物像关系物像关系后面后面光学光学系统系统入瞳入瞳出瞳出瞳孔径光阑孔径光阑前面前面光学光学系统系统整整个个光光学学系系统统第13页,共99页,编辑于2022年,星期一 孔径光阑、入瞳与出瞳孔径光阑、入瞳与出瞳出瞳出瞳 入瞳入瞳孔径孔径光阑光阑1 1)入瞳:决定光学系统的物方光束的孔径角。)入瞳:决定光学系统的物方光束的孔径角。2 2)出瞳:决定光学系统的像方光束的孔径角。)出瞳:决定光学系统的像方光束的孔径角。3 3)孔径光阑:实际起对光束限制作用的元件,决定了)孔径光
11、阑:实际起对光束限制作用的元件,决定了 入瞳、出瞳;三者互为物像关系。入瞳、出瞳;三者互为物像关系。第14页,共99页,编辑于2022年,星期一3 3、关于孔径光阑需要注意的几个问题、关于孔径光阑需要注意的几个问题(1)(1)轴上物点的位置发生变化,孔径光阑也会变化。轴上物点的位置发生变化,孔径光阑也会变化。(2)(2)几个口径一定的透镜组合几个口径一定的透镜组合,判断,判断确定的轴上物点位置确定的轴上物点位置的孔径光阑:的孔径光阑:追迹光线法:追迹光线法:过轴上物点的任一条近轴光线,求其在每个折射过轴上物点的任一条近轴光线,求其在每个折射面的投射高度与实际口径的比值,比值最大的折射面的边框为
12、透面的投射高度与实际口径的比值,比值最大的折射面的边框为透镜组的孔径光阑。镜组的孔径光阑。第15页,共99页,编辑于2022年,星期一将光学系统中所有光学零件的通光孔,分别通过其前面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个系统的物空间去,入射光瞳必然的光学零件成像到整个系统的物空间去,入射光瞳必然 是其中对物平面中心的张角为最小的一个。是其中对物平面中心的张角为最小的一个。入射光瞳的特性入射光瞳的特性入射光瞳入射光瞳入射光瞳必定是对入射光瞳必定是对物物面中心的张角最小的一个面中心的张角最小的一个孔径光阑孔径光阑-U第16页,共99页,编辑于2022年,星期一出射光
13、瞳的特性出射光瞳的特性出射光瞳出射光瞳出射光瞳必定是对出射光瞳必定是对像像面中心的张角最小的一个面中心的张角最小的一个孔径光阑孔径光阑将光学系统中所有光学零件的通光孔,分别通过其后面的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个系统的像空间去,则出射光瞳必然是光学零件成像到整个系统的像空间去,则出射光瞳必然是其中对像平面中心的张角为最小的一个。其中对像平面中心的张角为最小的一个。第17页,共99页,编辑于2022年,星期一 成像张角比较法:成像张角比较法:a.a.将光学系统所有光阑(各个透镜和光圈等),对其前面将光学系统所有光阑(各个透镜和光圈等),对其前面 的光学系统
14、(物空间)成像,求像之大小和位置;的光学系统(物空间)成像,求像之大小和位置;b.b.由物位置(轴上点)向各像边缘、第一个透镜边缘分别由物位置(轴上点)向各像边缘、第一个透镜边缘分别 作连线,求张角最小值即为入瞳,相应的共轭物为孔径作连线,求张角最小值即为入瞳,相应的共轭物为孔径 光阑;光阑;c.c.孔径光阑对后面光学系统(像空间)所成像即是出瞳。孔径光阑对后面光学系统(像空间)所成像即是出瞳。第18页,共99页,编辑于2022年,星期一例例1:已知物点:已知物点A离透镜离透镜1的距离为的距离为-l1=30mm,透镜,透镜1的通光口径的通光口径D1=30mm,光孔光孔2的直径的直径D2=22m
15、m,像点,像点A离透镜的距离离透镜的距离l1=60mm,透镜与光孔之间距离为透镜与光孔之间距离为d=10mm,试确定这个系统的孔径光阑、入瞳,试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。和出瞳。ABAB12解解:判断孔径光阑:判断孔径光阑:轴上物点的成像张角比较法轴上物点的成像张角比较法1)透镜)透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。2)光孔)光孔2相对于前面透镜成像:相对于前面透镜成像:2第19页,共99页,编辑于2022年,星期一ABAB123)D1,D2对轴上物点对轴上物点A的张角:的张角:D2的的张张角角最最小小,最最能能限限制制轴轴上上物物点
16、点A的的成成像像光光束束,为为入入瞳,即光孔瞳,即光孔2为孔径光阑,为孔径光阑,U2为物方孔径角。为物方孔径角。光光孔孔2后后面面无无透透镜镜,孔孔径径光光阑阑与与出出瞳瞳重重合合,U2为为像像方方孔孔径角。径角。2第20页,共99页,编辑于2022年,星期一(3)(3)孔径光阑位置的安放原则:孔径光阑位置的安放原则:a.a.目视光学系统,出瞳与人眼瞳孔衔接目视光学系统,出瞳与人眼瞳孔衔接(光瞳衔接原则)(光瞳衔接原则);b.b.投影计量光学系统,保证投影像的倍率不因物距变化;投影计量光学系统,保证投影像的倍率不因物距变化;c.c.对轴外光束像差校正;对轴外光束像差校正;d.d.各光学元件的口
17、径匹配。各光学元件的口径匹配。第21页,共99页,编辑于2022年,星期一 理想光学系统:主光线必然通过入瞳及出瞳的中心理想光学系统:主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。4、主光线(、主光线(Chief ray):):出瞳出瞳 入瞳入瞳孔径光阑孔径光阑定义:定义:离轴物点离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。发出的、通过孔径光阑中心的光线。主光线是主光线是通过孔径光阑通过孔径光阑、并、并参与成像的物光束参与成像的物光束的的中心光线中心光线。第22页,共99页,编辑于2022年,星期一二、视场光阑二、视场光阑 (Field Stops)1 1、视场光阑、视场光阑:定义:定义:在物在物/像面上安放的
18、、限定光学系统成像范围的光阑。像面上安放的、限定光学系统成像范围的光阑。物方视场:能够清晰成像的物面范围;物方视场:能够清晰成像的物面范围;像方视场:相应的能够清晰成像的像面范围;像方视场:相应的能够清晰成像的像面范围;2 2、入射窗与出射窗、入射窗与出射窗入射窗:入射窗:视场光阑经其前面光学系统所成的像(物空间)视场光阑经其前面光学系统所成的像(物空间)出射窗:出射窗:视场光阑经其后面光学系统所成的像(像空间)视场光阑经其后面光学系统所成的像(像空间)3 3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。第23页,共99页,编辑于2022年,星期一视场
19、光阑视场光阑 限制物平面或物空间范围的光阑称限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑视场光阑。nQ Q1 1Q Q2 2是是视场光阑视场光阑。nQQ1 1QQ2 2为入射窗为入射窗;nQ Q1 1Q Q2 2本本身身也也为为出出射射窗窗。n通通常常设设置置在在系系统统的的实实像像平平面面或或物物平平面面出射光瞳出射光瞳孔径光阑孔径光阑入射光瞳入射光瞳B BA AQ Q1 1Q Q2 2P P1 1P P2 2PP2 2PP1 1PP1 1PP2 2O O1 1PPP PPPO O2 2-U UUU视场光阑视场光阑(出射窗出射窗)入射窗入射窗Q1Q1Q2Q2第24页,共99页,编辑于2022年,星
20、期一孔孔径径光光阑阑出出射射光光瞳瞳入射入射光瞳光瞳AB视场光阑视场光阑入射窗入射窗出射窗出射窗C可见仅仅可见仅仅B B点以内的物点可以被系统成像。点以内的物点可以被系统成像。B B点与入射光瞳中心的连线与光轴的夹角最小。点与入射光瞳中心的连线与光轴的夹角最小。入射窗入射窗对对入射光瞳入射光瞳中心的张角为中心的张角为最小最小的的出射窗出射窗对对出射光瞳出射光瞳中心的张角为中心的张角为最小最小的的视场角视场角孔径光阑为无限小时,物面范围由入窗边缘与入瞳中心连孔径光阑为无限小时,物面范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。线决定。第25页,共99页,编辑于2022年,星期一(2)(2)计计算算这这些些像
21、像的的边边缘缘对对入入瞳瞳中中心心的的张张角角大大小小。张张角角最最小小者者即即为入射窗,入射窗对应的光学零件为入射窗,入射窗对应的光学零件视场光阑视场光阑视场光阑视场光阑.入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 ,同时也决定了视,同时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件所成的像即为出射窗,出射窗场边缘点。视场光阑经后面光学零件所成的像即为出射窗,出射窗对出瞳中心的张角即为像方视场角对出瞳中心的张角即为像方视场角 。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。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
22、孔径光阑而言的。确定视场光阑的方法:确定视场光阑的方法:(1)(1)把把孔孔径径光光阑阑以以外外的的所所有有光光孔孔经经前前面面的的光光学学系系统统成成像像到到物物空空间间,确确定入瞳中心位置定入瞳中心位置 (实际上在确定孔径光阑时这一步骤已完成实际上在确定孔径光阑时这一步骤已完成)。第26页,共99页,编辑于2022年,星期一BABO2O1O2PPAP入入射射窗窗出出射射光光瞳瞳孔孔径径光光阑阑入入射射光光瞳瞳孔径光阑为无限小时,物面范围由入窗边缘与入瞳中心孔径光阑为无限小时,物面范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。连线决定。线视场线视场线视场线视场:物方线视场为物高的两倍,以物方线视场为物高
23、的两倍,以2y2y表示。像方线视表示。像方线视场为像高的两倍,以场为像高的两倍,以2y2y表示。表示。第27页,共99页,编辑于2022年,星期一减小孔径光阑并不会对视场产生影响减小孔径光阑并不会对视场产生影响孔径光阑的变化孔径光阑的变化孔径光阑孔径光阑BAP1P2O1PPPO2-UU主光线主光线视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光线的限视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光线的限制。制。第28页,共99页,编辑于2022年,星期一例:有一个由三个光学零件组成的光组,透镜例:有一个由三个光学零件组成的光组,透镜O1,其口径其口径D14mmf1=36mm,透镜,透镜O2,其口径
24、,其口径 D212mm,f2=15mm,二透镜间隔二透镜间隔195mm,在离透,在离透镜镜O1右右180mm处设有一光孔处设有一光孔D310mm,物点离,物点离透镜透镜Ol为为-45mm1)求孔径光阑和入瞳出瞳的大)求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的大小和位置求视场光阑和入窗出窗的大小和位置?AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第29页,共99页,编辑于2022年,星期一解:光孔解:光孔D3经经O1成像成像在在O1左方与物点重合左方与物点重合AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第30页
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