1、2022-11-17工程光学基础教程第四章工程光学基础教程第四工程光学基础教程第四章章工程光学基础教程第四章u孔径光阑、视场光阑的确定方法孔径光阑、视场光阑的确定方法u远心光路远心光路u景深景深工程光学基础教程第四章孔径光阑孔径光阑限制轴上物点光束大小的光孔，也称为限制轴上物点光束大小的光孔，也称为“”P1P2是孔径光阑是孔径光阑,主要用于控制成像面的光能！主要用于控制成像面的光能！孔径光阑孔径光阑BAP1P2O1PO2-UUAB1 1、孔径光阑的定义与作用、孔径光阑的定义与作用 工程光学基础教程第四章孔径光阑孔径光阑2 2、入射光瞳和出射光瞳、入射光瞳和出射光瞳 P1P2孔径光阑孔径光阑经前
2、 方 光 学 系经前 方 光 学 系统 所 成 的 像统 所 成 的 像 P1P2称为入射称为入射光瞳，简 称 入光瞳，简 称 入瞳，入 瞳 边 缘瞳，入 瞳 边 缘对物点对物点A的张角的张角称为 物 方 孔 径称为 物 方 孔 径角角2U孔径光阑孔径光阑BAQ1Q2P1P2P2P1O1PPO2-UU主光线主光线工程光学基础教程第四章孔径光阑孔径光阑2 2、入射光瞳和出射光瞳、入射光瞳和出射光瞳 P1P2孔径光阑孔径光阑经后 方 光 学 系经后 方 光 学 系统 所 成 的 像统 所 成 的 像 P1P2称为出射称为出射光瞳，简 称 出光瞳，简 称 出瞳，出 瞳 边 缘瞳，出 瞳 边 缘对物点
3、对物点A的张角的张角称为 像 方 孔 径称为 像 方 孔 径角角2U出射光瞳出射光瞳孔径光阑孔径光阑入射光瞳入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU工程光学基础教程第四章通过入瞳中心的光线称为通过入瞳中心的光线称为主光线主光线，也通过孔径光阑和，也通过孔径光阑和出射光瞳中心出射光瞳中心,是是各个物点发出的成像光束的光束轴线。各个物点发出的成像光束的光束轴线。出射光瞳出射光瞳孔径光阑孔径光阑入射光瞳入射光瞳BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU主光线主光线工程光学基础教程第四章孔径光阑孔径光阑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
4、几个问题 工程光学基础教程第四章孔径光阑孔径光阑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 首先，将系统中所有零件的光孔成像到物空间，首先，将系统中所有零件的光孔成像到物空间，用计算方法用计算方法确定确定其位置和大小其位置和大小。第二步，由物面中心第二步，由物面中心A点对各个像的边缘引直线，入点对各个像的边缘引直线，入射光瞳是其中张角最小者，对应的物为孔径光阑。射光瞳是其中张角最小者，对应的物为孔径光阑。O2AO1O2PP1P2F1P1P2工程光学基础教程第四章孔径光阑孔径光阑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 若物体位于无限远，
5、若物体位于无限远，此时仅比较各个像本身的大此时仅比较各个像本身的大小，其口径最小者即为入射光瞳。小，其口径最小者即为入射光瞳。确定孔径光阑的方法，也可以先确定出射光瞳。确定孔径光阑的方法，也可以先确定出射光瞳。对称于光阑的对称式系统：入射光瞳和出射光瞳的对称于光阑的对称式系统：入射光瞳和出射光瞳的大小和倒正都一样，入瞳和出瞳之间的倍率为大小和倒正都一样，入瞳和出瞳之间的倍率为+1，入，入射光瞳面和出射光瞳面分别与光学系统的物方主平面射光瞳面和出射光瞳面分别与光学系统的物方主平面和像方主平面重合。和像方主平面重合。工程光学基础教程第四章孔径光阑孔径光阑3 3、关于孔径光阑需要注意的几个问题、关于
6、孔径光阑需要注意的几个问题 常以入瞳直径和焦距之比值来表示，常以入瞳直径和焦距之比值来表示，称为称为，它是光学系统的一个重要的性能指标。，它是光学系统的一个重要的性能指标。工程光学基础教程第四章孔径光阑孔径光阑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 对于目视光学系统，出瞳必须在目镜外，便于与对于目视光学系统，出瞳必须在目镜外，便于与其衔接。其衔接。在投影计量光学中，要求入瞳或出瞳位于无穷远。在投影计量光学中，要求入瞳或出瞳位于无穷远。在光学设计时，可以合理设置孔径光阑位置用以在光学设计时，可以合理设置孔径光阑位置用以校正像差。校正像差。可以合理设置孔径光阑的大小
7、来匹配光学镜组之可以合理设置孔径光阑的大小来匹配光学镜组之间的能量。间的能量。工程光学基础教程第四章视场光阑视场光阑 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。Q1Q2是是视场光视场光阑阑。Q1Q2为入射窗为入射窗;Q1Q2本身也为本身也为出射窗出射窗。通常设置在系统通常设置在系统的实像平面或物的实像平面或物平面平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BAQ1Q2P1P2P2P1P1P2O1PPPO2-UU视场光阑视场光阑(出射窗出射窗)入射窗入射窗Q1Q2工程光学基础教程第四章(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最计算这些像的边缘对
8、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小者即为入射窗，入射窗对应的光学零件入射窗边缘对入瞳中心的张入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角角为物方视场角 ，同，同时也决定了视场边缘点。时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件所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方视场角 。确定视场光阑的方法：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，确定入瞳中心位置像到物空间，确定入瞳中心位置(实际上在确定孔径实际上在
9、确定孔径光阑时这一步骤已完成光阑时这一步骤已完成)。工程光学基础教程第四章BABO2O1O2PPAP入射窗入射窗出射光瞳出射光瞳孔径光阑孔径光阑入射光瞳入射光瞳:物方线视场为物高的两倍，以物方线视场为物高的两倍，以2y表示。像方表示。像方线视场为像高的两倍，以线视场为像高的两倍，以2y表示。表示。工程光学基础教程第四章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。光线的限制。工程光学基础教程
10、第四章例：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，其口径 D212mm，f2=15mm,二透镜间隔二透镜间隔195mm，在，在离透镜离透镜O1右右180mm处设有一光孔处设有一光孔D310mm，物点离透镜物点离透镜Ol为为-45mm1）求孔径光阑和入瞳）求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置出瞳的大小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的求视场光阑和入窗出窗的大小和位置？大小和位置？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm工程光学基础教程第四章解：光孔解：光孔D3经经
11、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工程光学基础教程第四章AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm透镜透镜O2经经O1成成像像 工程光学基础教程第四章AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳）求孔径光阑、入瞳、出瞳U1最小，故物镜框最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经是入瞳，也是孔径光阑。它经O2的像为出瞳。的像为出瞳。工程光学基础教程第四章AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=
12、12mm（2）求视场光阑、入窗、出窗）求视场光阑、入窗、出窗 故光孔故光孔O3为视场光阑，入窗与物平面重合，大为视场光阑，入窗与物平面重合，大小为小为2.5mm2.5mm，出窗在无穷远，出窗在无穷远 工程光学基础教程第四章作业作业O2O4AF1BO1O3F1F2ABF2如 图 所 示，有 一 光 学 透 镜 组如 图 所 示，有 一 光 学 透 镜 组 O1,O2的 口 径的 口 径D1=D2=50mm,焦距焦距f1=f2=150,两透镜间距为两透镜间距为300mm,并在中间置以光孔并在中间置以光孔O3,口径口径D3=20mm,透镜透镜O2右侧右侧150mm出置一光孔出置一光孔O4,孔径孔径D
13、4=40mm,平面物体处于平面物体处于透镜透镜O1左侧左侧150mm处。处。1）求孔径光阑和入瞳出瞳）求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置？的大小和位置？2）求视场光阑和入窗出窗的大小和）求视场光阑和入窗出窗的大小和位置？位置？O4工程光学基础教程第四章照相系统组成照相系统组成工程光学基础教程第四章f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64工程光学基础教程第四章光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响工程光学基础教程第四章光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响工程光学基础教程第四章光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影
14、响工程光学基础教程第四章光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响工程光学基础教程第四章光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响工程光学基础教程第四章光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响工程光学基础教程第四章光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响工程光学基础教程第四章常见照相系统的光阑位置常见照相系统的光阑位置工程光学基础教程第四章渐晕光阑渐晕光阑工程光学基础教程第四章渐晕光阑渐晕光阑工程光学基础教程第四章渐晕光阑渐晕光阑工程光学基础教程第四章渐晕光阑渐晕光阑工程光学基础教程第四章渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑工程光学基础教程第四章渐晕光阑渐晕光阑 轴外物
15、点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称为为“渐晕渐晕”。，渐晕光阑多，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为透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制轴外点成像光束。束。工程光学基础教程第四章渐晕光阑渐晕光阑工程光学基础教程第四章望远镜系统的组成望远镜系统的组成目目工程光学基础教程第四章望远镜系统的光阑位置望远镜系统的光阑位置工程光学基础教程第四章望远镜系统的光阑位置望远镜系统的光阑位置工程光学基础教程第四章简单显微系统中的光束限制简单显微系统中的光束限制工程光学基础教程第四章远心光路远心光路物方远心光路物方远心光路像方远心光路像方远心光路工程
16、光学基础教程第四章物方远心光路物方远心光路 光学仪器中的很大部分仪器用来测量长度。光学仪器中的很大部分仪器用来测量长度。有一类光学仪器要求以有一类光学仪器要求以“”使被测物之使被测物之像与一刻尺相比，以求得一被测物之长度。像与一刻尺相比，以求得一被测物之长度。工程光学基础教程第四章物方远心光路物方远心光路 光学仪器中的很大部分仪器用来测量长度。光学仪器中的很大部分仪器用来测量长度。有一类光学仪器要求以有一类光学仪器要求以“”使被测物之使被测物之像与一刻尺相比，以求得一被测物之长度。像与一刻尺相比，以求得一被测物之长度。工具显微镜工具显微镜按工具显微镜的工作台的大按工具显微镜的工作台的大小和可移
17、动的距离、测量精小和可移动的距离、测量精度的高低以及测量范围的宽度的高低以及测量范围的宽窄，一般分为窄，一般分为。它们的测量。它们的测量精度和测量范围不同，但基精度和测量范围不同，但基本结构、测量方法大致相同本结构、测量方法大致相同 工程光学基础教程第四章孔径光阑为物镜镜框的情况孔径光阑为物镜镜框的情况工程光学基础教程第四章孔径光阑移至物镜镜框后焦平面出的情况孔径光阑移至物镜镜框后焦平面出的情况由于光学系统物方主光线平行于光轴主光线的会聚由于光学系统物方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远，故称为物方远心光路。中心位于物方无限远，故称为物方远心光路。工程光学基础教程第四章测量显微镜物
18、方远心光路。测量显微镜物方远心光路。孔径光阑孔径光阑工程光学基础教程第四章像方远心光路像方远心光路另一类光学仪器是把标尺放在不同的位置，通过改另一类光学仪器是把标尺放在不同的位置，通过改变光学系统的放大率而使标尺像等于一个已知值，变光学系统的放大率而使标尺像等于一个已知值，以求得仪器到标尺之间的距离。以求得仪器到标尺之间的距离。经纬仪经纬仪工程光学基础教程第四章像方远心光路像方远心光路这种情况如果孔径光阑仍为物镜框，由于调焦不准，这种情况如果孔径光阑仍为物镜框，由于调焦不准，标尺的像不与分划板刻线平面重合，使读数产生误标尺的像不与分划板刻线平面重合，使读数产生误差而影响测量精度。差而影响测量精
19、度。工程光学基础教程第四章像方远心光路像方远心光路为消除或减小这种误差，可以在为消除或减小这种误差，可以在物镜的物方焦平面物镜的物方焦平面上设置一个孔径光阑上设置一个孔径光阑。工程光学基础教程第四章工程光学基础教程第四章场镜的应用场镜的应用在一些应用中，需要加长光学系统，以满足出瞳的在一些应用中，需要加长光学系统，以满足出瞳的匹配要求。匹配要求。一种方法是在系统中加入一个放大倍率为一种方法是在系统中加入一个放大倍率为-1倍的成倍的成像透镜。像透镜。工程光学基础教程第四章场镜的应用场镜的应用工程光学基础教程第四章场镜的应用场镜的应用在一些应用中，需要加长光学系统，以满足出瞳的在一些应用中，需要加
20、长光学系统，以满足出瞳的匹配要求。匹配要求。一种方法是在系统中加入一个放大倍率为一种方法是在系统中加入一个放大倍率为-1倍的成倍的成像透镜。像透镜。这种方法为导致主光线在目镜上的透射高度很高，这种方法为导致主光线在目镜上的透射高度很高，从而是目镜的口径大大增加。从而是目镜的口径大大增加。工程光学基础教程第四章场镜的应用场镜的应用工程光学基础教程第四章场镜的应用场镜的应用加入薄透镜不会改变原成像系统的特性。加入薄透镜不会改变原成像系统的特性。加入薄透镜也不会改变轴上点光束的行进走向加入薄透镜也不会改变轴上点光束的行进走向。工程光学基础教程第四章 前面讨论的只是在垂直于光轴的前面讨论的只是在垂直于
21、光轴的平面上点的成像平面上点的成像问问题，属于这种情况的光学系统有照相制版物镜，电影题，属于这种情况的光学系统有照相制版物镜，电影放映物镜等。实际上，有很多仪器需要把放映物镜等。实际上，有很多仪器需要把空间中的物空间中的物点成像点成像在一个像面上，如望远镜和照相机等。这就存在一个像面上，如望远镜和照相机等。这就存在着空间物在平面上成像的清晰度问题。在着空间物在平面上成像的清晰度问题。工程光学基础教程第四章 光学系统的空间像光学系统的空间像工程光学基础教程第四章 光学系统的空间像光学系统的空间像工程光学基础教程第四章 光学系统的空间像光学系统的空间像工程光学基础教程第四章 光学系统的空间像光学系
22、统的空间像工程光学基础教程第四章 当弥散斑直径小于人眼的鉴别当弥散斑直径小于人眼的鉴别能力，实际像产生的模糊是无法能力，实际像产生的模糊是无法辨认的，可视为清晰像。此时，辨认的，可视为清晰像。此时，这个弥散斑称为这个弥散斑称为。光学系统的景深光学系统的景深工程光学基础教程第四章在对焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆在在对焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆在物空间对应的物平面之间的距离就叫物空间对应的物平面之间的距离就叫。P1pp2工程光学基础教程第四章光圈值发生变化光圈值发生变化焦深焦深焦焦深深ZZ工程光学基础教程第四章对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大对于固定焦距和拍
23、摄距离，使用光圈越小，景深越大工程光学基础教程第四章 1 2p1pp2p1p2pZ2Z1B2B1工程光学基础教程第四章由相似三角形关系可得由相似三角形关系可得远景深远景深近景深近景深远近点远近点工程光学基础教程第四章远景深远景深近景深近景深通常容许弥散圆可表示为：通常容许弥散圆可表示为：人眼极限人眼极限分辨角分辨角景景 深深工程光学基础教程第四章照相机的光圈数定义为：照相机的光圈数定义为：影响摄影镜头景深的因素：影响摄影镜头景深的因素：(1)、镜头光圈数：、镜头光圈数：光圈数越大，景深越大；光圈数越小，景深越小；光圈数越大，景深越大；光圈数越小，景深越小；(2)、镜头焦距、镜头焦距镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；(3)、拍摄距离、拍摄距离距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。工程光学基础教程第四章例：已知已知=0.00029rad,对准平面对准平面P=10m，设照相物镜，设照相物镜光圈数光圈数F2.8，试求焦距，试求焦距f为为56mm时的景深情时的景深情况。况。解解1：由由 ：当当 解解2：2022-11-17工程光学基础教程第四章
