1、第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制,4.1 光闌 4.2 照相系統(tǒng)中的光闌 4.3 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束限制 4.4 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析 4.5 光學(xué)系統(tǒng)的景深,第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制,組成光學(xué)系統(tǒng)的所有零件都有一定的尺寸大小,實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)除了應(yīng)滿(mǎn)足前述的物象共軛位置關(guān)系和成像放大率的要求外，還要有一定的成像范圍,沒(méi)有對(duì)光學(xué)零件的大小加以限制,通常光學(xué)系統(tǒng)中用一些中心開(kāi)孔的薄金屬片來(lái)合理地限制成像光束的寬度、位置和成像范圍。這些限制成像光束和成像范圍的薄金屬片稱(chēng)為光闌。 如果光學(xué)系統(tǒng)中安放光闌的位置與光學(xué)元件的某一面重合，則光學(xué)系統(tǒng)的邊框就是光闌,4-1 光闌,光闌在光

2、學(xué)系統(tǒng)中的作用：,決定像面的照度。,決定系統(tǒng)的視場(chǎng)。,限制光束中偏離理想位置的一些光線(xiàn)，用以改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量,攔截系統(tǒng)中有害的雜散光。,光闌分為：,孔徑光闌 視場(chǎng)光闌 消雜光光闌 漸暈光闌,一、孔徑光闌(Aperture Stops),孔徑光闌：它是限制軸上物點(diǎn)成像光束立體角（錐角）的光闌。 也就是起到?jīng)Q定能通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光（即像平面照度）作用的光闌。, 含義2：孔徑光闌的位置不同，但都起到了對(duì)軸上物點(diǎn)成像光束寬度的限制作用；只需相應(yīng)的改變光闌大小，即可保證軸上物點(diǎn)成像光束的孔徑角不變。,含義3：孔徑光闌的位置不同，則對(duì)應(yīng)于選擇軸外物點(diǎn)發(fā)出光束的不同部分參與成像。, 孔徑光闌的定義： 1）限

3、制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋?2）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。,2、入射光瞳與出射光瞳(Entrance and Exit pupils), Pupils： The image of the Aperture Stops,入射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間） 出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）,照相機(jī)鏡頭中的孔徑光闌,孔徑光闌,孔徑光闌,物像關(guān)系, 孔徑光闌、入瞳與出瞳,出瞳,入瞳,孔徑 光闌,1）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。,2）出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。,3）孔徑光闌：實(shí)際起對(duì)光束限制作用的元件，決定了 入瞳、出瞳；三者互

4、為物像關(guān)系。,3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個(gè)問(wèn)題,(1) 軸上物點(diǎn)的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會(huì)變化。,(2)幾個(gè)口徑一定的透鏡組合，判斷確定的軸上物點(diǎn)位置的孔徑光闌： 追跡光線(xiàn)法：過(guò)軸上物點(diǎn)的任一條近軸光線(xiàn)，求其在每個(gè)折射面的投射高度與實(shí)際口徑的比值，比值最大的折射面的邊框?yàn)橥哥R組的孔徑光闌。, 成像張角比較法：,例1：已知物點(diǎn)A離透鏡1的距離為-l1=30mm，透鏡1的通光口徑D1=30mm,光孔2的直徑D2=22mm，像點(diǎn)A離透鏡的距離l1=60mm，透鏡與光孔之間距離為d=10mm，試確定這個(gè)系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。,A,B,A,B,1,2,解：判斷孔徑光闌：軸上物點(diǎn)的成像張角比較法

5、,1）透鏡1框內(nèi)孔相對(duì)于前面光學(xué)系統(tǒng)的像與自身重合。,2）光孔2相對(duì)于前面透鏡成像：,A,B,A,B,1,2,3）D1，D2對(duì)軸上物點(diǎn)A的張角：,D2的張角最小，最能限制軸上物點(diǎn)A的成像光束，為入瞳，即光孔2為孔徑光闌，U2為物方孔徑角。 光孔2后面無(wú)透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，U2為像方孔徑角。,2,(3) 孔徑光闌位置的安放原則： a. 目視光學(xué)系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接（光瞳銜接原則）； b. 投影計(jì)量光學(xué)系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化,要求系統(tǒng)的出瞳或入瞳位于無(wú)限遠(yuǎn)處； c. 對(duì)軸外光束像差校正； d. 各光學(xué)元件的口徑匹配。, 理想光學(xué)系統(tǒng)：主光線(xiàn)必然通過(guò)入瞳及出瞳的中心。,4、主光

6、線(xiàn)（Chief ray）：,定義：離軸物點(diǎn)發(fā)出的、通過(guò)孔徑光闌中心的光線(xiàn)。, 主光線(xiàn)是通過(guò)孔徑光闌、并參與成像的物光束的中心光線(xiàn)。,入瞳中心是所有主光線(xiàn)的交點(diǎn)。,二、視場(chǎng)光闌 (Field Stops),1、視場(chǎng)光闌:,接收面或中間實(shí)像面上的分劃板。,攝影系統(tǒng)：像面的大小決定視場(chǎng)角2W的大小,望遠(yuǎn)鏡：中間實(shí)像面上分劃板的大小決定視場(chǎng)角2W的大小,3、視場(chǎng)光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。,第二節(jié) 照相系統(tǒng)中的光闌,一、照相機(jī)的三個(gè)組成部分,鏡頭、可變光闌（孔徑光闌）、感光底片（視場(chǎng)光闌）,光圈英文名稱(chēng)為Aperture，用來(lái)控制透過(guò)鏡頭進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量，是相機(jī)一個(gè)極其重要的指標(biāo)參數(shù)，

7、通常在鏡頭內(nèi)。它的大小決定著通過(guò)鏡頭進(jìn)入感光元件的光線(xiàn)的多少。表達(dá)光圈大小用F值，其中，F(xiàn)=鏡頭的焦距/鏡頭的有效口徑的直徑。,光圈 F 值越小，通光孔徑越大，在同一單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)光量便越多，而且上一級(jí)的進(jìn)光量剛好是下一級(jí)的兩倍，例如光圈從F8調(diào)整到5.6 ，進(jìn)光量便多一倍，我們也說(shuō)光圈開(kāi)大了一級(jí)。對(duì)于消費(fèi)型數(shù)碼相機(jī)而言，光圈 F 值常常介于 f2.8 - f11。,曝光:相機(jī)的感光元件在有限的時(shí)間（快門(mén)速度時(shí)間）內(nèi)接受光，并成像，這個(gè)過(guò)程叫做曝光。感光元件，膠片時(shí)代是指的膠片，數(shù)碼時(shí)代指的是感光元件CCD或CMOS。,曝光過(guò)度:指由于光圈開(kāi)得過(guò)大、底片的感光度太高或曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)所造成的影像失

8、常。,光圈優(yōu)先:指由機(jī)器自動(dòng)測(cè)光系統(tǒng)計(jì)算出曝光量的值，然后根據(jù)你選定的光圈大小自動(dòng)決定用多少的快門(mén)。手動(dòng)設(shè)置光圈值，由測(cè)光結(jié)果自動(dòng)調(diào)整快門(mén)速度。,使用光圈優(yōu)先模式的目的是，使用者可以自己控制景深。在風(fēng)景攝影中，當(dāng)使用者希望近處和遠(yuǎn)處的畫(huà)質(zhì)都要清晰，而快門(mén)速度并不重要的時(shí)候，需要設(shè)定一個(gè)較小的光圈值。在人物攝影中，相機(jī)使用者更希望一個(gè)較大的光圈值，使得人物的背景失焦，用以強(qiáng)調(diào)人物主題而淡化背景。 使用光圈優(yōu)先的另一個(gè)目的是讓相機(jī)選擇快門(mén)速度，以防止不恰當(dāng)?shù)钠毓鈺r(shí)間。在風(fēng)景攝影中，使用者當(dāng)為瀑布拍照時(shí)，會(huì)選用較大的光圈值，也就是較小的光圈配合較長(zhǎng)快門(mén)時(shí)間，使得瀑布的水滴變得模糊。但當(dāng)在較暗的燈光下

9、攝影時(shí)，一個(gè)較小的光圈值，也就是獲得更大的光圈，使更多的光線(xiàn)進(jìn)入鏡頭。,設(shè)置方法:,速度控制:在同一環(huán)境下，光圈和快門(mén)是相輔相成的，光圈越大，進(jìn)入的光線(xiàn)就越多，所需的快門(mén)時(shí)間就越短，反之，光圈越小，快門(mén)速度就越慢，因而可以通過(guò)光圈來(lái)調(diào)節(jié)快門(mén)。,與快門(mén)優(yōu)先區(qū)別:快門(mén)優(yōu)先用于你對(duì)快門(mén)有要求的時(shí)候，如你拍攝高速運(yùn)動(dòng)的物體，快門(mén)必須要快一些，所以你控制快門(mén)，由相機(jī)控制光圈。需要注意的是，光圈的可調(diào)范圍小于快門(mén)，所以用快門(mén)優(yōu)先時(shí)，如果你把快門(mén)調(diào)得太快或太慢，相機(jī)是沒(méi)有辦法正確曝光的。,軸上物點(diǎn)：孔徑光闌在不同 位置，對(duì)成像光束寬度的限 制作用相同：都是光束的中 間部分參與成像。,軸外物點(diǎn)：孔徑光闌在 不

10、同位置，參與成像光 束的空間位置不同，成 像質(zhì)量不同。,軸外光束決定 孔徑光闌的位置,假設(shè)：透鏡口徑足夠大,軸外物點(diǎn)發(fā)出并充滿(mǎn)入瞳的光束不一定能全部通過(guò)系統(tǒng)，還可能受到遠(yuǎn)離孔闌的光孔的阻攔，這就是攔光。請(qǐng)觀察，當(dāng)視場(chǎng)逐漸增大時(shí)，軸外點(diǎn)發(fā)出充滿(mǎn)孔闌的光束被前后兩個(gè)透鏡所攔，其中上光線(xiàn)被第2個(gè)透鏡攔，下光線(xiàn)被第1個(gè)透鏡攔。軸外點(diǎn)的實(shí)際成像光束孔徑要比軸上點(diǎn)小。,二、漸暈光闌 （Vignetting stop）,1、漸暈現(xiàn)象：像平面的邊緣比中間暗（離軸物點(diǎn)）。,一個(gè)系統(tǒng)可以有0到2個(gè)漸暈光闌。,B1的成像光束不被攔，B2的成像光束主光線(xiàn)以下被攔，B3發(fā)出的光線(xiàn)只有一條通過(guò)，B3以下不能成像。,2、漸

11、暈系數(shù):,用漸暈系數(shù)表示漸暈嚴(yán)重的程度,想一想：是否所有光學(xué)系統(tǒng)都要無(wú)漸暈？ 漸暈光闌是否只有一個(gè)？,關(guān)于問(wèn)題：當(dāng)孔徑和視場(chǎng)都較大時(shí)，無(wú)漸暈既無(wú)必要也不可能。因?yàn)檫h(yuǎn)離孔闌的透鏡直徑不能做得太大，且適當(dāng)攔掉偏離理想成像狀態(tài)較遠(yuǎn)的即像差較大的軸外光束有利于改善像質(zhì)。 關(guān)于問(wèn)題：?jiǎn)蜗驍r光相當(dāng)于孔闌位于光學(xué)系統(tǒng)之外。但孔闌在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)，可能有兩個(gè)漸暈光闌，一個(gè)攔上光線(xiàn)，另一個(gè)攔下光線(xiàn)。特別是全對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，必有兩個(gè)漸暈光闌。,三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié),孔徑光闌在物鏡中的位置,望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是以平行光入射，再以平行光出射的系統(tǒng),第三節(jié) 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)作為一個(gè)光組的構(gòu)成,最簡(jiǎn)單的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)至少有兩個(gè)獨(dú)立

12、光組，第一光組的像方焦點(diǎn)與第二光組的物方焦點(diǎn)重合,各放大率的關(guān)系保持不變,望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇,1、構(gòu)成,2、光學(xué)參數(shù),目視光學(xué)系統(tǒng)的視角放大率： 遠(yuǎn)處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對(duì)眼睛張角 的正切，與該 物體直接對(duì)眼睛張角 的正切之比。,*概念區(qū)別：角放大率,3、分劃板 視場(chǎng)光闌,分劃板位于物、目?jī)社R的共同焦面上： 入射窗、出射窗均在無(wú)窮遠(yuǎn)處， 分別與物、像面重合。,二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光束限制,1、光瞳銜接原則： 前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合。, 追跡主光線(xiàn) 的投射高度,1）光闌在物鏡的左側(cè)10mm：,2）光闌在物鏡上：,3）光闌在物鏡右側(cè)10mm：,三、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié),1、兩光

13、學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時(shí)，一般應(yīng)滿(mǎn)足光瞳銜接原則；,2、目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于6mm；,4、分劃板就是視場(chǎng)光闌。,3、孔徑光闌大致在物鏡左右；,4、光闌位置對(duì)軸外光束位置的選擇,第四節(jié) 顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析,一、簡(jiǎn)單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制,1、顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成,物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路 在光學(xué)儀器中，很大一部分儀器用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度 一類(lèi)儀器是光學(xué)系統(tǒng)有一定放大率，使被測(cè)物的像和標(biāo)準(zhǔn)刻尺相比，求被測(cè)物體的長(zhǎng)度，如工具顯微鏡等計(jì)量?jī)x器。 另一類(lèi)儀器是把一標(biāo)尺放在不同的位置，光學(xué)系統(tǒng)改變放大率，使標(biāo)尺的像等于一個(gè)已知值，來(lái)求儀器到標(biāo)尺間距離，如大地測(cè)量?jī)x器中的視距測(cè)量。,二、遠(yuǎn)心光路,在工具

14、顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)像平面上，放置已知刻度值的透明刻尺（稱(chēng)為分劃板） 分劃板上刻尺的格值已考慮了物鏡的放大率 按此方法測(cè)量，刻尺與物鏡之間的距離應(yīng)保持不變，使物鏡的放大率保持常數(shù) 這種測(cè)量方法的測(cè)量精度在很大程度上取決于像平面與刻尺平面的重合程度。,1、孔徑光闌在物鏡上,(a) 測(cè)距原理：,(b) 調(diào)焦不準(zhǔn)：,2) 由于調(diào)焦不精確，引 起像平面和標(biāo)尺平面 不重合，從而導(dǎo)致測(cè) 量誤差。,1) 入瞳與物鏡邊框重合；,2、孔徑光闌在物鏡 的像方焦平面上,1) 入瞳位于物方無(wú)窮遠(yuǎn)。,A和A1、B和B1的主光線(xiàn)分別重合，且軸外點(diǎn)的主光線(xiàn)平行于主軸。,3) 主光線(xiàn)是物點(diǎn)成像光束的中心軸，則物點(diǎn)A1 B1在刻

15、尺平面構(gòu)成的兩個(gè)彌散斑的中心間隔始終不變。, 物方遠(yuǎn)心光路,(a) 測(cè)距原理：,(b) 調(diào)焦不準(zhǔn)：,三、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié),1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；,2、一次實(shí)像面處安放視場(chǎng)光闌；,3、測(cè)長(zhǎng)顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上 物方遠(yuǎn)心光路,第五節(jié) 光學(xué)系統(tǒng)的景深,理論上，只有共軛的物平面才能在像平面上成清晰像，其他物點(diǎn)所成的像均為彌散斑。但當(dāng)此斑對(duì)眼睛的張角小于眼睛的最小分辨角1時(shí)，人眼看起來(lái)仍為一點(diǎn)。此時(shí)，該彌散斑可認(rèn)為是空間點(diǎn)在平面上的像。,想一想：為什么看許多照片時(shí)感覺(jué)遠(yuǎn)近都清楚？,同一位置不同景深的效果,一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像,1、平面上的空間像：空間點(diǎn)成像于一個(gè)像平面

16、上。,對(duì)準(zhǔn)平面,景像平面,2、透視失真, 投影中心前后移動(dòng)，所得投影像與景物不成比例。,3、景像畸變,二、光學(xué)系統(tǒng)的景深, 成像空間的景深： 在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度。,入瞳中心： 物空間參數(shù) 的起算原點(diǎn),出瞳中心： 像空間參數(shù) 的起算原點(diǎn),對(duì)準(zhǔn)平面的彌散斑直徑：,景像平面的彌散斑直徑：,由相似三角形得：,兩個(gè)因素：觀測(cè)距離、極限分辨角,遠(yuǎn)景、近景到對(duì)準(zhǔn)平面的距離：,遠(yuǎn)景、近景到入瞳的距離：,可見(jiàn)，焦距短景深大，對(duì)準(zhǔn)平面遠(yuǎn)景深大，入瞳直徑小則景深大，且遠(yuǎn)景深大于近景深。,想一想：是否對(duì)準(zhǔn)平面越遠(yuǎn)景深越大？ 以上公式是否各種系統(tǒng)都適用？ 攝影時(shí)怎樣控制景深？,關(guān)于問(wèn)題 設(shè)焦距50mm，入瞳直徑12.5mm，要求彌散斑Z=0.05,關(guān)于問(wèn)題 僅前兩組公式是普適的，后面的公式 僅適用于攝影系統(tǒng)。,例：照相機(jī)的原理圖,孔徑光闌光圈,不同光圈的效果,（一）長(zhǎng)景深的照片,要拍攝大景深的照片，如遠(yuǎn)景鏡頭，應(yīng)選擇短焦距、小的相對(duì)孔徑即大的光圈數(shù)，對(duì)準(zhǔn)距離遠(yuǎn)。,（二）短景深照片,要拍攝小景深的照片，如特定鏡頭，應(yīng)選擇長(zhǎng)焦距、大的相對(duì)孔徑即小的光圈數(shù)，對(duì)準(zhǔn)距離近。,74,第四章 光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制,1.什么是孔徑光闌(作用)、入