第四章光学系统的光阑

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工程光学 第四章_光学系统中的光阑与光束限制

工程光学   第四章_光学系统中的光阑与光束限制
A 2 1
2′
B'
30 26.565o 2 (30) D2 2( l1 l2 )
) U1 ) U 2
U 2 (
U 2 arctg arctg
B
A'
44 23.749o 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。
★景像平面(照片)上弥散斑直径的允许值 y D pp z2 D p z z1 y ★对准平面上对应弥散斑的允许值:z z1 z2 ★远景、近景到入瞳的距离:
z1 2a p1 p p1
z2 2a p p2 p2
z

p
2ap 2ap p1 p2 2a z1 2a z 2


以照相机为例,分析人眼看照片认为是清晰图像的情况:
★ 正确透视距离:观察距离满足照片上各点对人眼睛的 张角,与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。
y y' ' tan tan p D
y' D p p y
以下推导 不考虑正负号
眼睛
u
:人眼的
极限分辨角
p
p
清晰像:弥散斑直径对人眼的张角< 人眼的极限分辨角 1 ~ 2
2、透视失真
—— 投影中心前后移动,所得投影像与景物不成比例。
3、景像畸变
二、光学系统的景深
★ 成像空间的景深: 在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。
近景平面 远景 平面
1 2
入瞳中心: 物空间参数 的起算原点

工程光学(光阑)ppt课件

工程光学(光阑)ppt课件

入射窗
出瞳
入瞳
L1
L2


主光线
视场光阑 出射窗
孔径光阑
以上只讨论了入射光瞳口径为无限小的情况。实际上,光学系统的入射
光瞳总是有一定大小。有时还可能很大。此时系统小光束被限制的情况就变
得复杂一些。下面我们就一般情况作精简品课要件分析。
15
当入射光瞳有一定大小时,由轴外物点发出的充满入瞳的光束,有时会 被某些透镜框所遮拦。如图所示,透镜L1、L2分别位于孔径光阑D的两侧。 由轴外物点B发出的充满入瞳的光束,其中只有一部分(画有阴影线部分) 通过系统成像,而其上下各有一部分分别被透镜L2与L1的镜框所遮拦。因此, 轴外物点成像光束的孔径显然要比轴上物点小。致使像面上从中央到边缘, 光照度逐渐下降,这种现象称为“惭晕”。
B
C A
精品课件
4
(二)入射光瞳、出射光瞳 入射光瞳:孔径光阑经其前面的光组在物空间的像。也就是从透镜左向右方 观察所看到的孔径光阑的像。 出射光瞳:孔径光阑经其后面的光组在像空间成的像。 入射光瞳、出射光瞳和孔径光阑三者是共轭关系。 入射光瞳是光束进入系统的公共入口,出射光瞳是光束射出系统的公共出口。
“光阑”。
在光学系统中,不单用装夹光学零件的金属框的内孔来限制光束,有
时还要专门设置一些带孔的金属薄片来限制光束,这些就是专用光阑。专
用光阑的通光孔一般为圆形,其中心线和光轴重合。多数专用光阑的孔径
是固定的,但也有可变的。孔径可变的光阑称为可变光阑,常用于照相物
镜中。又如人眼的瞳孔也是一个可变光阑,其孔径能随外界光线的强弱
视场光阑——决定物平面或物空间成像范围的光阑。在多数光学系统 如照相机、显微系统中,视场光阑的位置常被设置在系统物镜的像平面上, 这样,视场才能具有清晰的边界。

光学系统中的光阑

光学系统中的光阑
照相机的光阑为孔径光阑,照相底片为视场光阑。
5.1.3、 渐晕
由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小,使像平面 边缘比中心暗的现象称为“渐晕”。
线渐晕系数
KD
D D
孔径光阑的位置不同,渐晕不同
面渐晕系数难以处理。
给渐晕的原因: 1. 为了减小元件的口径 2. 为了去处某些像差较大的光线
在某些望远镜中,渐晕系数可以达到0.5
30 F’物
对于轴向光束,物镜口径最大,目镜口径较小 为满足光学特性的要求,各光学元件的通光口径至少 应保证轴向光束通过。
3、轴外光束传播情况
1)孔径光阑确定:轴向光束口径最大的元件-----物镜
a F’物
a
2)、孔径光阑成像位置
a
b a
入瞳
F’物
出瞳
双目望远镜特点:物镜为孔径光阑,物镜垂直放置,可视 为薄透镜,位置确定,孔径光阑在像空间的像(即出瞳) 也是确定的。
S
光学元件的边框也起光阑的作用。
分类:
孔径光阑
视场光阑
5.1.1 孔径光阑
一、孔径光阑的定义与作用 定义:
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑称为孔径光阑。
作用: 决定了轴上点发出平面光束的孔径角,有时也称为有效光阑。
其实光阑决定了进入光学系统的光能大小。
光阑可在外面也可在里面
二、光瞳
光瞳就是孔径光阑所成的像。分为入瞳和出瞳。 孔径光阑在透镜后,经前面光学系统所成的像,称为入瞳。 孔径光阑在透镜前,经后面光学系统所成的像,称为出瞳。
解决的办法:使主光线不变
孔径光阑
y1´=y´
远心光路:将孔径光阑放置在像方焦平面处, 入射主光线与光轴平行,出射主光线永远不变,与像平 面的交点位置也不变

几何光学-第四章 光阑

几何光学-第四章 光阑

CCD偏左
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CCD偏右
没 有 远 心 镜 头
加 上 远 心 镜 头
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场镜
• 在某些连续成像的组合系统中,为了使前透镜组的出射 光束都能进入后透镜组,可能要求后透镜组口径加大很 多。
• 为了不使后透镜组口径过大,常在中间的实像平面上加 入一块透镜,使前组的出射光束主光线,经透镜后,通 过后透镜组的中心,从而大大减小后组透镜的口径。
• 在大多数的计量光学仪器中,其孔径光阑(或出瞳) 常安置在显微镜物镜或投影物镜像方焦平面上以形成 物方远心光路以提高观测精度。
• 在光学仪器中常采用另一种光路→像方远心光路 • 它是孔径光阑(或入瞳)安置在整个光组的物方焦平
面上形成的
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这种光学系统因为出瞳位于像方无限远处,平行于光 轴的像方主光线在无限远处会聚于出瞳中心,因此称 为像方远心光路。
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后组
前组
B'
B ''
A
B
A' A ''
(a)
前组
场镜
后组
A ''
A
B
B ''
这种和像平面重合,或很靠近像平面的透镜称为场镜。
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第二节 视场光阑
• 光学系统的成像范围是有限的,能清晰成像的 范围在光学系统中称为视场。 • 照相机中底片框限制了被成像范围的大小 • 工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的 大小
物平面 入窗
• 入射窗和物平面相重合 出瞳 • 或者把视场光阑设置在
像平面上
• 视场具有清晰的界限

光阑和光束限制

光阑和光束限制

光学系统的渐晕 B1点是轴外点能充满 入瞳参与成像的最远点, 在R=AB1的圆内,是能 使充满入瞳的光束参与成 像的区域;以AB2为半径 的圆周上只能以半孔径成 像;以AB3为半径的圆周 及其以外的区域的轴外点光束不能进入光学系统成像。 可见,从轴外B点开始到B3充满入瞳的光线被逐渐拦截, 导致在像面上相应的圆环区域逐渐变暗,这种现象叫渐晕。 出现渐晕区域叫渐晕区。
l1 25mm
y' l1' 20 0.8 y l1 25
15 y 18 .75 mm 0. 8
• 再求光阑3被前面光组所成的像。 • 必须注意:为了求得光阑3在物空间的像, 要使它对透镜1、2成像。
• 先求光阑3被透镜2所成的像,再求 该像被透镜1在物空间所成的像。
• 求法如上,因为l 2’ = 30mm, • y2’ = D3 / 2 = 10mm,利用高斯公式 得
• (这一限制轴上点光束孔径角的 光阑)——孔径光阑被其前面的 光组在光学系统物空间所成的像 称为入射光瞳,简称入瞳。
入射光瞳的大小完全决定了进入系统参与成像的最 大孔径角,是物平面中心进入系统光束的公共入口。轴 上物点发出的立体光束,只要能通过入射光瞳就一定能 到达物面。 以上是对物方空间的讨论,对像方空间可得到相同 的结果。 出射光瞳——孔径光阑被后面的光组成的像称为出 射光瞳。
Pf '2 P 1 f '2 z ' PF
z ' P2 F 1 2 f ' z ' PF
2 z ' P 2 Ff '2 1 2 4 f ' z '2 P2 F 2
由以上公式讨论几个问题: 1.要使对准平面至无限远的整个空间在景像平面上都有 清晰的“像”,对准平面应该在何处? 2 f ' z ' P2 F 此时,1 2 P , 有f '2 z ' PF

几何光学第章 光阑

几何光学第章 光阑

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后组
前组
B'
B ''
A
B
A' A ''
(a)
前组
场镜
后组
A ''
A
B
B ''
这种和像平面重合,或很靠近像平面的透镜称为场镜。
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第二节 视场光阑
• 光学系统的成像范围是有限的,能清晰成像的 范围在光学系统中称为视场。 • 照相机中底片框限制了被成像范围的大小 • 工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的 大小
• 物空间各空间点的成像,相当于以入射光 瞳中心为投影中心,以主光线为投影线, 将各点投影到对准平面上后,再成像到景 象平面上。
第四章 光阑和光能计算
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1
第一节 孔径光阑
孔径光阑:它是限制轴上物点成像光束
立体角(锥角)的光阑。
也就是起到决定能通过光学系统的光能(即像
平面照度)作用的光阑。
以普通照相机来说明光阑
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可变光阑
底片
2
出射光瞳
P1′
L1
L2
-U
-y
P'
U— 物方孔径角
P2′
U′— 像方孔径角
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• b,光源为面光源
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• 结论:
• 差别:电光源造成的光照度和发光强度成正 比,而面光源造成的光照度和光亮度及光源 面积成正比
• 相同:都与距离的平方成反比,且都与表面 的倾斜度有关
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工程光学-第4章 光学系统中的光束限制 53

工程光学-第4章 光学系统中的光束限制 53

第四章 光学系统中的光束限制
对准平面外物方空间点成像 相当于以入射光瞳中心为投影中心 以主光线为投影线使空间点投影在对准平面上,再成像在景像平面上 相机、望远镜、投影仪 现实中理想的点是不存在的 当弥散斑足够小 小于系统要求的最小分辨率 或小到可被系统认为是点时 该弥散斑便可被认为是对准平面外物点在景像平面所成的点像 因此,在景像平面上可得到对准平面外空间物点的清晰像 而能在景像平面成清晰像的物空间深度称为系统的景深
第四章 光学系统中的光束限制
4、孔径光阑设置原则 (1)对于目视仪器,人眼瞳孔起限制光束作用,故光学系统的出瞳和人眼 瞳孔在位置上必须重合 (2)入瞳和光学元件重合时,元件口径最小 (3)为提高测量精度,在测量物体大小的显微镜中,需要把孔径光阑置于 光学系统的像方焦平面上,以消除由于物平面位置不准确所引起的测量 误差 (4)在某些用于测量物体距离的大地测量仪器中,常需要把孔径光阑置于 光学系统的物方焦平面上,以消除由于调焦不准而造成的误差
D
′ + ( − f目 ′ )]tg( − 4.25D ) hz目 = hz物 − dtgU ′ = 0 − [ f物 = 9.36mm;
第四章 光学系统中的光束限制
(3)光阑在物镜右侧10 mm 为追迹主光线 可先根据高斯公式 求出人瞳住置在物镜右侧11mm 再按上面方法计算
1 1 1 1 1 1 ' − = → − = → l z ≈ 11mm ' ' lz l f ′ lz 10 −108
第四章 光学系统中的光束限制
第三节 望远镜系统中成像光束的选择
一、双目望远镜的组成
1、组成
第四章 光学系统中的光束限制
2、望远镜系统参数 视觉放大率: Γ = 6× 出瞳直径: 目镜焦距: 视场角:

光学系统中的光阑

光学系统中的光阑

能量效率评价
能量传输效率
光阑应能有效地将光源的能量传输到 所需的光束中,同时避免不必要的散 射和反射。
能量利用率
热效应
光阑在传输大量能量的过程中可能会 产生热效应,影响光学系统的性能和 稳定性。
在保证光束质量的前提下,光阑应尽 可能提高能量的利用率,减少浪费。
成像质量评价
分辨率和对比度
光阑对成像的分辨率和对比度有 直接影响,是评价成像质量的重
03
光阑在光学系统中的应用
望远镜中的光阑
望远镜中的光阑主要用于控制进 入望远镜的光束的大小,以及阻
挡杂散光和防止过度曝光。
光阑可以调节望远镜的视场,使 得观测目标在望远镜的视场中清
晰可见。
光阑还可以减少望远镜的像差, 提高成像质量。
显微镜中的光阑
在显微镜中,光阑用 于控制照明光束的大 小,以适应不同的观 察需求。
光阑的成像改善作用
总结词
光阑可以改善光学系统的成像质量,提 高图像的清晰度和对比度。
VS
详细描述
在复杂的光学系统中,光阑可以起到重要 的成像改善作用。通过合理设计和放置光 阑,可以消除光学系统的像差,减少杂散 光和眩光的影响,提高图像的清晰度和对 比度。此外,光阑还可以用于调整光学系 统的焦距和景深,优化成像效果。
描述
不同类型的光阑具有不同的特性和用途,适用于不同的光学系统。选择合适的光 阑类型和规格对于保证光学系统的性能和稳定性至关重要。
光阑的作用
功能
光阑在光学系统中起着重要的作用,它可以控制光束的形状 、大小和方向,从而影响成像质量、光束质量和系统性能。 具体来说,光阑的作用包括限制光束的孔径、消除杂散光、 提高成像对比度和减小畸变等。
描述
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∆ ' = ∆ '1 + ∆ ' 2 = 2 p ' z ' D '
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z'2
第五节远心光路
• 一、物方远心光路 • 二、像方远心光路
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物方远心光路
• 孔径光阑设置在光学系统的像方焦点处 其入瞳在物方无穷远, 时,其入瞳在物方无穷远,这种光路称 为物方远心光路, 为物方远心光路,在用于测量物体大小 的显微镜中经常被采用, 的显微镜中经常被采用,用以提高测量 精度。 精度。
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非像方远心光路测量系统
孔径光阑
B' 1 A F
主光 线
B' y'z A'
y'z1 F' A'1
B
-x
-f
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像方远心光路测量系统
孔径光阑
B'1 A(A1) F B(B 1)
光线 主 -x
B' y'z
A'1 -f
A'
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举例
பைடு நூலகம்D1 D2
A
F
F'
题解图
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入瞳和出瞳
• 孔径光阑在物方空间的共轭“像”称为入 孔径光阑在物方空间的共轭“ 射光瞳, 射光瞳,简称入瞳 • 孔径光阑在像方空间的共轭像称为出射光 瞳,简称出瞳 • 孔径光阑、入瞳、出瞳三者互为共轭关系 孔径光阑、入瞳、 • 入瞳在整个系统的物方对光束进行限制, 入瞳在整个系统的物方对光束进行限制, 出瞳在整个系统的像方对光束进行限制
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其中
lZ
为入瞳的位置
第三节 渐晕光阑
• 当孔径光阑和视场光阑确定以后,其余 当孔径光阑和视场光阑确定以后, 限制轴外光束的光阑对轴外点将产生渐 晕作用,称为渐晕光阑。 晕作用,称为渐晕光阑。 • 渐晕光阑的作用 1。 减小光学系统的横向尺寸 。 2。 改善轴外点的成向质量 。
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入瞳和出瞳
C .R .
M .R

.
Q

L1 A .S . E x .P E n .P
L2
Q'
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例题
• 两个直径相等的正薄透镜,已知透镜的焦 两个直径相等的正薄透镜, 物距为-100mm 距 f1 ' = 20mm, f 2 ' = 10mm ,物距为 间距60mm,直径 即 l1 = −100mm ,间距 , D1=D2=6mm,求此系统的孔径光阑。 ,求此系统的孔径光阑。
孔径光阑 视场光阑
y'
ω
F
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视场光阑设在像面
孔 径 光 阑 视 场 光 阑
y' ω F
物在有限远 y =
y'
β
物在无限远
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y' tgω = f'
视场光阑设在物面
视 场 光 阑 孔 径 光 阑
B y A
D视 y= 2
y tgω = l − lZ
像方远心光路
• 孔径光阑置于光学系统的物方焦面上时 , 孔径光阑置于光学系统的物方焦面上时, 其出瞳位于像方无穷远, 其出瞳位于像方无穷远 , 这种光路称为 像方远心光路, 像方远心光路 , 在用于测量物体距离的 望远系统中经常被采用, 望远系统中经常被采用 , 也同样可以提 高测量精度。 高测量精度。
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焦深
一个物平面能够获得清晰像的空间深度称为焦深
入瞳 出瞳
z'1
A ∆'1 ∆ P'
D'
D
A' ∆'2
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z'2
焦深的计算
入瞳 出瞳
z'1
A ∆'1 ∆ P'
D'
D
A' ∆'2
D' p' p' = = z ' ∆1 ' ∆ 2 '
孔径光阑
孔 径 光 阑
h
A
-U U
A=
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系统孔径的确定----系统孔径的确定 孔径光阑的识别
• 求出所有的通光元件在系统物方的共轭 “像”。。 • 对给定的轴上物点在物空间确定各器件允许通 过光束的最大孔径角(当物在无限远时, 过光束的最大孔径角( 当物在无限远时 ,确定 所允许通过光束的最大高度) 所允许通过光束的最大高度)。 • 比较找出其中孔径角为最小( 物在无限远时为 比较找出其中孔径角为最小( 孔径高度最小)所对应的器件,该光学元件就 孔径高度最小) 所对应的器件, 是系统的孔径光阑。 是系统的孔径光阑。
第一节 孔径光阑
• 定义 : 用于限制成像光束大小的光阑称 定义: 孔径光阑, 一般用轴上物点确定。 孔径光阑 一般用轴上物点确定。 • 描述成像光束大小的参量称为孔径 , 近 描述成像光束大小的参量称为孔径, 距离物体成像的孔径用孔径角U表示 表示, 距离物体成像的孔径用孔径角 表示,无 限远物体成像的孔径用孔径高度h表示 表示; 限远物体成像的孔径用孔径高度 表示;
第四章 光学系统中的光束限制
一、光阑的作用 孔径光阑、入瞳、 二、孔径光阑、入瞳、出瞳 视场光阑、入窗、 三、视场光阑、入窗、出窗 四、渐晕光阑 景深、 五、景深、焦深 六、远心光路
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光阑的作用
光学系统中, 光学系统中 , 对光束起限制作用的光学元 件称为光阑。如透镜的边框、光孔等。 件称为光阑 。 如透镜的边框 、 光孔等 。 光 阑按限制光束的目的,分为: 阑按限制光束的目的,分为: 1. 孔径光阑 图 . 2. 视场光阑 . 3. 渐晕光阑 . 4. 消杂光光阑 .
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孔径光阑

L

A .S .
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光束限制的共轭原理
• 一条光线如果被某一光学器件限制 则该 一条光线如果被某一光学器件限制,则该 光线的共轭光线也一定会受到该器件的 共轭像所限制
I II I'
A
A'
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对准平面
景像平面
z1
1
z'2
B
入射光瞳
出射光瞳
B" 2
P '1 P A P B z2
2 1
2a
A' P' P '2 B" 1 z'1
P2

1

2
−p2 −p
p '1 p' p '2
−p
1
z1 p1 − p = D p1
Dp p1 = D − z1
z 2 p − p2 = D p2
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P B2 z2 P2
∆1
−p 2
p'1 p' p'2
景深
• 景深:在平面上成清晰像的空间深度称 : 为景深 • 对准平面:像面所对应的共轭面 : • 远景深:对准平面以远能成清晰像的物 : 空间深度 • 近景深:对准平面以近能成清晰像的物 对准平面以近能成清晰像的物 空间深度 • 景深为近景深与远景深之和。 。
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第二节 视场光阑
• 定义:限制成像范围大小的光阑称为视 定义: 场光阑 • 描述成像范围大小的参量称为视场,近 描述成像范围大小的参量称为视场, 距离物体成像的视场一般用物体的高度y 距离物体成像的视场一般用物体的高度y 表示,无限远物体成像的视场用视场角ω 表示,无限远物体成像的视场用视场角 表示。 表示。 • 主光线:通过入 主光线: 瞳中心的光线
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减小光学系统的横向尺寸
物镜 视场光阑 目镜

f1 '
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-f 2
第五节 景深和焦深
• 景深 • 焦深 • 结束
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景深
对准平面 景像平面
z'2
B1
z1
入射光瞳
出射光瞳
B" 2
P'1 P1 A 2a A' P' P'2 B" 1 z'1 ∆2 −p −p 1
Dp p2 = D + z2
z1 = z 2 =
z'
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β
景深的计算
p1 = Dp β D β − z'
p2 =
Dp β D β + z'
z' p D β + z'
z' p ∆1 = p1 − p = D β − z'
∆ 2 = p − p2 =
∆ = ∆1 + ∆ 2 =
2 Dp β z ' D 2 β 2 − z'2
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与景深有关的因素
∆ = ∆1 + ∆ 2 =
• • • •
2 Dp β z ' D 2 β 2 − z'2
景深随入瞳的增大而减小 景深随对准平面距离的增大而增大 景深随放大率(或焦距) 景深随放大率(或焦距)的增大而减小 景深随像面分辨率的增加而减小
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非物方远心光路的测量误差
孔径光阑
B'1 B' y' y' 1 A'
A1
A F'
B1
B
主光线
f'
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x'
物方远心光路消除测量误差
孔径光阑
B' (B'1 ) A1 A F' B1 B
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