第五章 光学系统中成像光束的选择
一、光阑及其作用
透镜口径与成像光束的大小和位置有关。
1. 照相机中的光阑
光阑是在照相镜头后面有多个金属叶片包络形成的圆孔，也称为光圈。
2. 光阑类型
- 孔径光阑：限制进入光学系统成像光束口径的光阑。
- 视场光阑：限制成像范围的光阑。
- 消杂光光阑：阻挡杂散光的光阑。
3. 渐晕
渐晕：斜外光束宽度比轴上点光束宽度小，造成像平面边缘部分比像平面中心暗。
线渐晕系数： KD=DωDK_D = {D_\omega \over D}KD=DDω
面渐晕系数： KS=SωSK_S = {S_\omega \over S}KS=SSω
允许存在渐晕的目的
- 减小光学零件的外形尺寸；
- 减小边缘光线带来的相差。
二、望远系统中成像光束的选择（双筒望远镜）
1. 轴向光束传播情况
- 轴向光束对称于光轴，位置不可选择；
- 轴向光束的大小由光学特性参数决定；
- 为满足特性参数的需要，各光学参数的通光口径必须至少保证轴向光束全部通过；
- 此时，物镜对应的通光口径最大，目镜最小。
2. 轴外光束传播情况
- 物镜框的大小决定了通过系统的光束，因此物镜框起到了孔径光阑的作用；
- 物镜像平面上的分划板限制了成像范围，就是视场光阑。
3. 相关定义
- 出射瞳孔：孔径光阑在系统像空间的像，出瞳
- 入射瞳孔：孔径光阑在系统物空间的像，入瞳
- 出瞳是光能最集中的地方，为了看清整个视场，眼睛的瞳孔应该和出瞳重合；
- 对出瞳距离必须有一定的要求，一般仪器大于6mm，对于军用仪器，要大一些，可能大于20mm。
三、望远系统中成像光束的选择（周视瞄准镜）
周视瞄准镜特性参数
视放大率：Γ=3.7\Gamma = 3.7Γ=3.7
物方视场角：2ω\omegaω = 10°
出瞳直径：D = 4mm
出瞳距离：I’z ≥ 20mm
物镜焦距：f’物 = 80mm
目镜焦距：f’目 = 21.6mm
1. 轴向光束
入瞳直径：D = D’ × Γ\GammaΓ = 4 × 3.7 = 14.8mm
位置对称于光轴
各光学元件的通光口径至少应该保证轴向光束通过。
2.轴外光束
孔径光阑的选择
- 应该选择在对应轴向光束口径最大的元件上；
- 保护玻璃、直角棱镜、道威棱镜、物镜口径要求相同；
- 将孔径光阑选在道威棱镜上，体积最大，位于中间。
周视瞄准镜中斜光束通过时的特点
由于道威棱镜的前后两个表面均切割光线，整个斜光束孔径都小于轴向光束，整个视场都存在渐晕。孔径光阑位于道威棱镜上，在像空间也有一定范围，无法根据出瞳的定义来确定位置。
出瞳、入瞳的位置
- 出射主光线与光轴的交点确定出瞳位置；
- 入射主光线与光轴的交点确定入轴位置。
名义孔径光阑
在道威棱镜的情形下，实际限制光束的是棱镜的两端，其共同作用的结果，相当于在中心点处，设有一个孔径光阑，称为系统的名义孔径光阑。
眼点
有些情况下，系统并不是整个视场都有渐晕，而是一定视场内无渐晕，视场超过一定大小才会有渐晕。按照视场中央没有渐晕的部分光线确定出瞳位置。
- 眼点：边缘视场主光线与光轴的交点；
- 眼点距离：眼点与系统最后一个表面顶点之间的距离。
3. 小结：望远系统中成像光束的选择
光束选择
- 为什么要进行成像光束的选择？
成像光束的位置将决定各光学元件口径的大小。
- 选择的是什么样的光束？
斜光束。
- 如何选择？
成像光束通过确定孔径光阑的位置来选择。
- 选择的一般原则
为使仪器体积重量尽可能小、尺寸均匀，让主光线通过孔径光阑中心；孔径光阑选择在对应轴向光束通过时口径最大的光学元件上。
出瞳位置
- 无渐晕系统：出瞳是孔径光阑在像空间的像；
- 整个视场都有渐晕：根据出射主光线和光轴交点确定出瞳位置；
- 边缘视场存在渐晕的系统：根据无渐晕的中心部分来确定出瞳、入瞳。有必要的情况下，用眼点来代表边缘部分光线的位置。
视场光阑
位于系统像平面上或附近，限制成像光束的范围。
四、显微镜的光束限制
1. 成像范围
- 线视场：用成像物体的最大尺寸表示
- 线视场的大小由像面上放置的框大小决定，它限制了观察的范围，因此，它就是视场光阑。
2. 成像光束的大小
成像光束的大小用轴上点发出的光束与光轴的夹角来表示。由光轴转向光线，顺时针为正，逆时针为负。
在显微镜中，物镜框就是孔径光阑。
物方孔径角 u 和物方折射率 n 的乘积 nu 叫数值孔径。
用 NA 表示 nu = D′Γ500{D'\Gamma \over 500}500D′Γ 表示。
为保证出射光束有一定大小，D’ ≥ 1mm，则 NA ≥ Γ500{\Gamma \over 500}500Γ
NA 与显微镜的分辨率有关，NA 越大，分辨率越高。
提高 NA 的方法：提高 u；提高 n，使用油浸物镜。
五、远心光路
1. 测量物体大小显微镜中的光束限制情况
- 物平面位置必须准确，像平面才能与标尺重合；
- 像平面测量的是弥散圆的中心，即主光线与像平面的交点。由于孔径光阑位于物镜处，主光线随着物平面的移动而改变，其与像平面的交点也随之改变；
- 物方远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处，入瞳在无限远。
2.用于大地测量的显微镜
用于大地测量的显微镜需要测量出物体距离光学系统的相对位置。
若孔径光阑位于物镜处，如果调焦不准，就会带来误差。当像平面与标尺分化刻线不重合时，测出的是主光线与像面之间的距离，该距离随着标尺移动而变化。
像方远心光路：将孔径光阑放置在物方焦平面处，出瞳在无限远。
六、场镜的特性及应用
1. 场镜的作用
在不改变光学系统成像特性的前提下，改变成像光束的位置。
- 场镜与像平面重合（或者非常接近）；
- 物镜所成的像位于场镜主平面上，经过场镜后成的像与原来的像相等。
2. 场镜的应用
正透镜减小出瞳距离，负透镜增大出瞳距离。
七、空间物体成像的清晰程度–景深
1. 景深的定义
- 能够在像面上获得清晰像的物空间深度，称为系统的景深。
- 最极限的能够清晰成像的远处物平面，称为远景平面。
- 最极限的能够清晰成像的近处物平面，称为近景平面。
2. 公式推导
远景平面
1l1=1l+Z′D(1l+1f′){1 \over l_1} = {1 \over l} + {Z' \over D}({1 \over l} + {1 \over f'}) l11=l1+DZ′(l1+f′1)
近景平面
1l2=1l−Z′D(1l+1f′){1 \over l_2} = {1 \over l} - {Z' \over D}({1 \over l} + {1 \over f'}) l21=l1−DZ′(l1+f′1)
景深
1l1−1l2=2Z′D(1l+1f′){1 \over l_1} - {1 \over l_2} = {2Z' \over D}({1 \over l} + {1 \over f'}) l11−l21=D2Z′(l1+f′1)
3. 景深的性质
- 容许的光板直径越大，景深越大；
- 照相物镜的相对孔径与焦距和景深的关系：
1l1−1l2≈2Z′D1f′=2Z′(Df′)f′2{1 \over l_1} - {1 \over l_2} ≈ {2Z' \over D}{1 \over f'} = {2Z' \over \Big({D \over f'}\Big)f'^2} l11−l21≈D2Z′f′1=(f′D)f′22Z′ - 相对孔径越小，成像范围越大，景深越大；
- 大景深（拍远景）：短焦距，小相对孔径，对准距离远；
- 小景深（拍特写）：长焦距，大相对孔径，对准距离近。
- 若要求最远的清晰范围直到无穷远，则基准物平面的位置是最近清晰物平面位置的两倍远。
第五章 光学系统中成像光束的选择相关推荐
- 《SVN宇宙版教程》：第五章 TortoiseSVN中Repo-browser介绍
第五章 TortoiseSVN中Repo-browser介绍 导言: 窗口Repo-browser是TortoiseSVN提供的一个管理工作副本或仓库文件的工具,此窗口在使用TortoiseSVN工具 ...
- 第五章 Java 中的 wait、notify 和 notifyAll 方法示例
您可能已经注意到 Object 类具有三个 final 方法,分别称为 wait.notify 和 notifyAll.这些方法用于线程间通信.Java 5 引入了执行器框架,它为您处理线程间通信,并 ...
- 选对池塘钓大鱼（[美]雷恩·吉尔森）第五章 挑选一口池塘：选择公司
第五章 挑选一口池塘:选择公司 选择公司与选择职业有许多共同之处.也许判断一份好职业更抽象些,而判断一个好的 公司更具体些.但是我们要注意到在选择公司中依然有许多幻象和诱惑影响我们,使我们陷 入一些误 ...
- 2022 最新 Android 基础教程，从开发入门到项目实战【b站动脑学院】学习笔记——第五章：中级控件
第 5 章 中级控件 本章介绍App开发常见的几类中级控件的用法,主要包括:如何定制几种简单的图形.如何使用几种选择按钮.如何高效地输入文本.如何利用对话框获取交互信息等,然后结合本章所学的知识,演示 ...
- 第五章 python中正则表达式的使用
第一节 正则表达式的一些介绍 1)掌握正则表达式的案例 2)写一个小爬虫 3)正则表达式(或RE)是一个小型的.高度专业化的编程语言,(在python中)它内嵌在python中,并通过re模块实 ...
- 第五章 Java中的String类和StringBuffer(上)
为什么不从第一章开始记录? 因为,博主最近在刷"蓝桥杯"的算法题,题目中遇到了许多和字符串相关的题目. 比如:要求程序对用户输入的串进行处理.具体规则如下: 1. 把每个单词的首 ...
- 【慕课笔记】第五章 JAVA中的集合框架（中） 第1节 MapHashMap简介
第1节 Map&HashMap简介 Map接口 Map提供了一种映射关系,其中的元素是以键值对的形式存储的,能够实现根据key快速查找value Map中的键值对以Entry类型的对象实例形式 ...
- 程序员代码面试指南刷题--第五章.数组中两个字符串的最小距离
题目描述 给定一个字符串数组strs,再给定两个字符串str1和str2,返回在strs中str1和str2的最小距离,如果str1或str2为null,或不在strs中,返回-1. 输入描述: 输入 ...
- 第五章 C语言循环结构和选择结构_C语言break和continue用法详解(跳出循环)
break关键字 在<C语言switch case语句>一节中,我们讲到了break,用它来跳出 switch 语句. 当 break 关键字用于 while.for 循环时,会终止当前层 ...
最新文章
- 15 -Flask构建弹幕微电影网站-基于角色的访问控制
- python计数属性类
- jzoj4016-圈地为王【状压,bfs,几何】
- Numpy数组的广播机制
- saltstack常用模块
- gduuu 中旅 他最恨的是猎人
- [jQuery基础] jQuery案例 -- 狂拍灰太狼
- 业界分享 | 百度图神经网络实践
- Apache服务安全加固及Apache优化
- 分布式数据库的优越性
- 有哪些好用的word文件对比工具
- 用origin画不同柱族柱状图
- 7714天，王小川正式卸任搜狗CEO！网友：别了。。。
- NLP【07】transformer原理、实现及如何与词向量做对接进行文本分类（附代码详解）
- 小程序获取头像昵称最新版本
- Peewee fn 用法
- 事件抽取文献整理(2018)
- 网络原理IP协议/以太网
- Python 爬虫：把廖雪峰的教程转换成 PDF 电子书
- python (与C的差别）