4_第四章光学系统中的光阑

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l '3 45 D' 3 D3 10 2.5m m l3 180
A 45
D1=4mm
D3=100
F2
O2
195
透镜O2经O1成像
l 2 f '1 195 36 l'2 44.15m m l 2 f '1 195 36
l'2 44.15 D' 2 D2 12 2.72m m l2 195
A 45
D1=4mm
D3=10mm D3
D2=12mm
O1 180
F2
O2
195
(1)求孔径光阑、入瞳、出瞳
tgU 1 2 0.044 45
2.72 / 2 tgU 2 1.6 45 44.15
透镜焦距:l1 60, l1 30 f 20; 光孔关于透镜的像: 20; l2 d 10, f 20,l2 像的大小: l2 D2 D2 D2 44mm l2
A B A' 1 2
2′
B'
3)D1,D2'对轴上物点A的张角:
A
★轴外物点:孔径光阑在 不同位置,参与成像光 束的空间位置不同,成 像质量不同。
M
N A´
——轴外光束决定 孔径光阑的位置
M´ N´
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
孔径光阑位置移动,对轴上成像光束并无影响。
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
渐晕光阑
D D

“渐晕系数”:
D K D
三、照相系统的光阑总结
孔径光阑在物镜中的位置 1、根据轴外光束的像质选择孔径光阑位置; 2、轴外点成像光束宽度取决于孔径光阑、渐晕光阑均有关; 3、感光底片边框,即视场光阑; 4、孔径光阑一般为圆形,视场光阑为圆形或者矩形。
二、望远镜系统中的光束限制
1、光瞳衔接原则:
——前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。
1)物镜的左侧10mm;
2、孔径光阑的位置: 2)物镜上;
3)物镜右侧10 mm 。
hz分 hz目
hz物
★ 追迹主光线 的投射高度
望远镜系统的光阑位置
实际系统中,物镜框前后10mm左右放置孔径光阑;分 划板为视场光阑;孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳 距离lz>6mm
★ 含义2:孔径光阑的位置不同,但都起到了对轴上物点成 像光束宽度的限制作用;只需相应的改变光阑大小,即可保 证轴上物点成像光束的孔径角不变。
★含义3:孔径光阑的位置不同,则对应于选择轴外物点 发出光束的不同部分参与成像。
★ 孔径光阑的定义: 1)限制轴上物点成像光束孔径角的大小(宽度); 2)选择轴外物点成像光束的位置。
L1
孔径光阑
Q1
L2
入瞳
Q1
B
A
Q
Q
Q2
Q
Q2
A
B
C
Q2
★ 理想光学系统:主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。
★ 主光线是通过孔径光阑、并参与成像的物光束的中心光线。
二、视场光阑
1、视场光阑:
(Field Stops)
★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; ★定义:在物/像面上安放的、限定光学系统成像范围的光阑。
2、入射窗与出射窗
★入射窗:视场光阑经其前面光学系统所成的像(物空间)
★出射窗:视场光阑经其后面光学系统所成的像(像空间) 3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。
视场光阑
限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑。
P''1 P'1
Q2’
B
-
入射窗
P1 P'' O1 P P2 O2
视场光阑 Q1Q2 是 视 场 光 阑 。 (出射窗)
物像关系
F
入瞳 前面 光学 系统 孔径光阑 后面 光学 系统 出瞳 整 个 光 学 系 统
F
孔径光阑
★ 孔径光阑、入瞳与出瞳
出瞳
Q1 L 1
孔径 光阑
入瞳
L2
Q1
Q1
B
y
A
y
) U
Q
Q
Q2
U (
Q A
Q2
B
Q2
1)入瞳:决定光学系统的物方光束的孔径角。 2)出瞳:决定光学系统的像方光束的孔径角。 3)孔径光阑: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。
(3) 孔径光阑位置的安放原则: a. 目视光学系统,出瞳与人眼瞳孔衔接(光瞳衔接原则); b. 投影计量光学系统,保证投影像的倍率不因物距变化;
c. 对轴外光束像差校正;
d. 各光学元件的口径匹配。
4、主光线(Chief ray):
★定义:离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。 出瞳
Q1
A
45
D1=4mm
D3=10mm D3
D2=12mm
O1 180 195
F2
O2
A 45
D1=4mm
D3=10mm D3
D2=12mm
O1 180
F2
O2
195
解:光孔D3经O1成像
l 3 f '1 180 36 l '3 45m m l 3 f '1 180 36
在O1左方与物点重合
5mm
★视觉放大率: 6
f物
D
f目
望远镜系统简化图
tan ★目视光学系统的视角放大率: tan 远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切,与该
物体直接对眼睛张角的正切之比。
复习:第二章
f1 tan *概念区别:角放大率 tan f 2
一、照相机的三个组成部分
镜头、可变光阑(孔径光阑)、感光底片/暗盒(视场光阑)
f/1
f/1.4
f/2
f/2.8
f/4
f/5.6
f/8
f/11
f/16
f/22
f/32
f/45
f/64
假设:透镜口径足够大
★轴上物点:孔径光阑在不同 位置,对成像光束宽度的限 制作用相同:都是光束的中 间部分参与成像。
L1
Q1
) U
b.
c.
L2
Q
Q2
Q1
L2
A
Q
Q2
例1:已知物点A离透镜1的距离为-l1=30mm,透镜1的通光口径D1=30mm, 光孔2的直径D2=22mm,像点A’离透镜的距离l1´=60mm,透镜与光孔之间 距离为d=10mm,试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。
解:判断孔径光阑:轴上物点的成像张角比较法 1)透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。 1 1 1 2)光孔2相对于前面透镜成像: l l f
第三节
1、构成
望远镜系统中成像光束的选择
物镜、目镜的 共同焦面上
一、双目望远镜的组成
转像
2、光学参数
' ★物镜焦距: f物 108mm
18mm ★目镜焦距:f目
11mm lz ★出瞳距离:
★视场角: 2 8o30 与人眼联用, 满足光瞳衔接原则
D
★出瞳直径: D '
O1 P
U'
O2
P2 P
孔径光阑
减小孔径光阑并不会对视场产生影响
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。
例:有一个由三个光学零件组成的光组,透镜O1, 其口径D1=4mm.f’1=36mm,透镜O2,其 口径 D2=12mm,f’2=15mm,二透镜间隔 195mm,在离透镜O1右180mm处设有一光孔 D3=10mm,物点离透镜Ol为-45mm.1)求 孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置?2)求视场光 阑和入窗出窗的大小和位置?
2、入射光瞳与出射光瞳(Entrance and Exit pupils)
★ Pupils: The image of the Aperture Stops ★入射光瞳:孔径光阑经其前面光学系统所成的像(物空间) ★出射光瞳:孔径光阑经其后面光学系统所成的像(像空间)
照相机镜头中的孔径光阑
孔径光阑
A 45
D1=4mm
O1
D3=10mm D3 D2=12mm ω2 ω3
F2
O2
180
195
(2)求视场光阑、入窗、出窗
5 6 tg 3 0.0278 tg 2 0.0307 180 195
故光孔O3为视场光阑,入窗与物平面重合,大 小为2.5mm,出窗在无穷远
第二节
照相系统中的光阑

Q'1Q'2为入射窗;
U
A
U'
P'
Q1
Q2
Q Q 本身也为出 射窗。
1 2
Q1’
P''2
孔径光阑
P'2
通常设置在系统 的实像平面或物 平面

出射光瞳
入射光瞳
确定视场光阑的方法:
(1)把孔径光阑以外的所有光孔经前面的光学系统成像到 物空间,确定入瞳中心位置 ( 实际上在确定孔径光阑时 这一步骤已完成)。 (2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最小 者即为入射窗,入射窗对应的光学零件视场光阑. 入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 2 ,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,出射窗对出瞳中心的张角即为像方视场 角 2 ' 。 视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。
U1 arctg arctg D1 2l1
A 2 1
2′
B'
30 26.565 2 (30) D2 2(l1 l2 )
) U1 ) U 2
U 2 (
U 2 arctg arctg
B
A'
44 23.749 2 (30 20)
D2′的张角最小,最能限制轴上物点 A的成像光束, 为入瞳,即光孔2为孔径光阑,U2为物方孔径角。 光孔2后面无透镜,孔径光阑与出瞳重合,U2′为像方 孔径角。
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
孔径光阑位置移动,对轴外成像光束有明显影响。
二、渐晕光阑
(Vignetting stop)
1、渐晕现象:像平面的边缘比中间暗(离轴物点)。
渐晕光阑
渐晕光阑
渐晕光阑
渐晕光阑
渐晕光阑
渐晕光阑
轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截,称为 “渐晕”。该光阑称为“渐晕光阑”,渐晕光阑多为 透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制轴外点成像光束。
hz物
hz分
hz目
正切计算法
tan U k tan U k hk f k
1 hk hk 1 dk 1 tan Uk
1)光阑在物镜的左侧10mm(ω=4.25°):
hz物 lz tg( 4.25o ) 10mm tg( 4.25o ) 0.75mm; tg( 4.25o ) 8mm; hz分 y f物 tg( 4.25o ) tgU 物 hz物 0.75 o tg( 4.25 ) f物 108
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
(1) 轴上物点的位置发生变化,孔径光阑也会变化。
(2)几个口径一定的透镜组合,判断确定的轴上物点位置的孔径光阑:
★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。
★ 成像张角比较法: a. 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(物空间)成像,求像之大小和位置; 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 光阑; 孔径光阑对后面光学系统(像空间)所成像即是出瞳。
2.5 / 2 tgU 3 0
U1最小,故物镜框O1是入瞳,也是孔径光阑。它经 O2的像为出瞳。
l1 f ' 2 l '1 195 15 16.25 l '1 16.25m m D'1 D1 4 0.33m m l1 f ' 2 195 15 l1 195
第四章 光学系统中的光阑(Stops)
第一节 光阑
第二节
第三节 第四节 第五节
照相系统的光阑
望远镜系统中成像光束的选择 显微镜系统中的光束限制与分析 光学系统的景深
第一节
光阑
——限制成像光束和成像范围
一、孔径光阑 (Aperture Stops)
1、孔径光阑的定义和作用
★ 含义1:限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。
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。
入 射 窗 A
O'2 ω
出 射 光 瞳 P'' ω' O1
孔 径 光 阑
入 射 光 瞳 O2 P'
B'
P
A'
B
线视场:物方线视场为物高的两倍,以2y表示。像方 线视场为像高的两倍,以2y'表示。
孔径光阑的变化
主光线
B A P''
-
P1
U
3、分划板 —— 视场光阑
入 瞳 D
f物
f目
出 瞳
D
f物 tan tan f目
f物 f物 D D f目 f目
D D
望远镜系统简化图
D D 30mm
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, 分别与物、像面重合。
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