第四章光学中的光束限制A

1、1第四章第四章 光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制 4-1 4-1 光阑光阑 4-2 4-2 照相系统中的光阑照相系统中的光阑 4-3 4-3 望远镜系统中成像光束的选择望远镜系统中成像光束的选择 4-4 4-4 显微镜系统中的光束限制与分析显微镜系统中的光束限制与分析 4-5 4-5 光学系统的景深光学系统的景深2光学系统中用一些中心开孔的薄金属片来合理地限制成像光束的宽度、位置和成像范围，这些限制成像光束和成像范围的薄金属片称为光阑光阑。分为孔径光阑和视场光阑，所谓视场视场就是能成像的物面范围。一、孔径光阑一、孔径光阑（一）定义限制轴上物点孔径角U的大小，或限制轴上物点成像光束宽度，

2、并有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑叫孔径孔径光阑光阑。3就限制孔径角U大小的作用来说，孔径光阑可以安放在透镜前；也可放在透镜上与透镜边框重合；甚至可安放在透镜后面。但孔径光阑位置不同，轴外物点参与成像的光束位置就不同。45（二）入瞳、出瞳（二）入瞳、出瞳孔径光阑的像称为光瞳光瞳。孔径光阑经前面光学系统所成的像为入射光瞳入射光瞳，简称入瞳入瞳；孔径光阑经后面光学系统所成的像为出射光瞳出射光瞳，简称出瞳出瞳。孔径光阑、入瞳、出瞳是物象关系。若孔阑在系统最前面，出瞳与孔阑重合；若孔阑在系统最后面，则出瞳与孔阑重合；若孔阑在薄透镜上，孔阑与入瞳、出瞳都重合。6（三）关于孔阑的几个注意问题（三）关于

3、孔阑的几个注意问题在具体的光学系统中，当物平面位置有变化，需分析再判断谁是真正的孔径光阑谁是真正的孔径光阑。若几块口径一定的透镜组合在一起形成一个镜头，对于确定的轴上物点，找孔阑的方法找孔阑的方法：从轴上物点追迹一条近轴光线，求出光线在每个折射面上的投射高度，将其与相应折射面的实际口径相比，则比值最大的折射面的边框就是孔阑；或将每个透镜经前面的光学系统成像并求像的大小，对轴上物点所张角最小者为孔阑。7确定孔径光阑的方法确定孔径光阑的方法(1) 把光具组中所有光阑当作物，逐个地相对把光具组中所有光阑当作物，逐个地相对其前方系统成像。其前方系统成像。(2)由轴上物点向每个像的边缘引直线，其中与由轴

4、上物点向每个像的边缘引直线，其中与主光轴所夹锐角最小的即为入射孔径角主光轴所夹锐角最小的即为入射孔径角,对应的对应的像即为入射光瞳，入射光瞳对应的共轭物即为像即为入射光瞳，入射光瞳对应的共轭物即为孔径光阑。孔径光阑。（3）将孔径光阑向其后方系统成像，即为出射）将孔径光阑向其后方系统成像，即为出射光瞳。由轴上像点出射光瞳边缘连直线，与主光瞳。由轴上像点出射光瞳边缘连直线，与主光轴所夹锐角即为出射孔径角。光轴所夹锐角即为出射孔径角。8孔阑位置的安放原则孔阑位置的安放原则在目视光学系统中，出瞳在目镜外的一定位置，与人眼瞳孔相接；在投影计量光学系统中，系统的出瞳或入瞳位于无限远处；当仪器对光阑无位置要

5、求时，光阑应处于轴外光束像差校正较完善的位置；光阑位置可考虑合理匹配光学系统各元件的口径。9二、视场光阑二、视场光阑能清晰成像的物面范围称为光学系统的物方视场物方视场；能清晰成像的像面范围称为光学系统的像方视场像方视场；限制物体成像范围的光阑称为视场光阑视场光阑。对轴外物点的主光线限制最多的光阑称为视场光阑。对轴外物点的主光线限制最多的光阑称为视场光阑。视场光阑经前面光学系统所成的像称为入射窗入射窗，简称入窗入窗；视场光阑经后面光学系统所成的像称为出射窗出射窗，简称出窗出窗；若视场光阑安放在像面上，入窗就和物平面重合，出窗为视场光阑本身；若视场光阑安放在物平面上，入窗与视场光阑重合，出窗与像平

6、面重合；入窗、视场光阑、出窗互为物像关系。10视场光阑，入射窗和出射窗视场光阑，入射窗和出射窗 之间的关系之间的关系 视场光阑，入射窗和出射窗三者之间的关视场光阑，入射窗和出射窗三者之间的关系是物像共轭关系。系是物像共轭关系。 视场光阑对物面范围和像面范围大小都能视场光阑对物面范围和像面范围大小都能限制，大多数情况下间接实施控制限制，大多数情况下间接实施控制 对物面范围的直接限制由入射窗来承担对物面范围的直接限制由入射窗来承担; 对像面范围的直接限制由出射窗来承担。对像面范围的直接限制由出射窗来承担。11孔径光阑和视场光阑孔径光阑和视场光阑 对轴上物点光束的口径（立体角或者发光截面）限制得最对

7、轴上物点光束的口径（立体角或者发光截面）限制得最多的光阑称为孔径光阑。多的光阑称为孔径光阑。 对光具组成像的视场限制最多的光阑称为视场光阑。对光具组成像的视场限制最多的光阑称为视场光阑。 孔径光阑限制成像物点的光束口径，视场光阑限制成像的孔径光阑限制成像物点的光束口径，视场光阑限制成像的物面范围，即物点个数物面范围，即物点个数12注意：注意： 在一个完整的光学系统中（两个以上光学在一个完整的光学系统中（两个以上光学器件组成的光学系统），孔径光阑和视场器件组成的光学系统），孔径光阑和视场光阑不能由同一个器件兼任。光阑不能由同一个器件兼任。 13普通照相系统由三部分组成：照相镜头、可变光阑、感光底

8、片。成像原理：照相镜头将外面的景物成像在感光底片上。可调光圈（可变光阑）视场光阑14一、孔径光阑的位置对选择光束的作用一、孔径光阑的位置对选择光束的作用轴上点：就限制轴上点的光束宽度而言，孔径光阑处于A或A的位置情况无差别。轴外点：孔径光阑位置不同，参与成像的轴外光束不一样，轴外光束通过透镜L的部位也不一样，需要通过全部成像光束的透镜口径大小也不一样。15当透镜L的实际口径比光线投射高度的要小时，则阴影部分被L的边框挡住而不能参与成像，因此轴外点成像光束宽度比轴上点的要小，像面边缘部分比像面中心暗，这种现象称为渐晕渐晕。透镜L的边框起拦光作用，称渐晕渐晕光阑光阑。161718则渐晕系数定义为：

9、1wDKD轴向光束口径轴外光束宽度为缩短光学零件的外形尺寸，实际光学系统中视场边缘一般都有一定的渐晕。总结在照相光学系统中，根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置，其大致位置在照相物镜的某个空气间隔中。在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅由孔径光阑的口径确定，而且还和渐晕光阑的口径有关。照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。194-3 4-3 望远镜系统中成像光束的选择望远镜系统中成像光束的选择 望远镜系统由物镜和目镜组成，再加上光路转折和转像的反射棱镜，系统中限制光束的情况比较复杂。双目望远镜分划板视场光阑孔径光阑20 对望远镜系统总结：对望远镜系统总结：两个光学系统联用时，一般应满足

10、光瞳衔接原则；目镜光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm;望远系统的孔径光阑大致在物镜左右，具体位置可根据尽量减少光学零件的尺寸和体积的考虑去设定；可放分划板的望远镜中，分划板框是望远系统的视场光阑。出瞳距出瞳距指望远系统的出瞳到目镜最后一面的距离。21一、简单显微镜系统中的光束限制一、简单显微镜系统中的光束限制一般可以安放分划板22二、远心光路二、远心光路 用于测量的光学系统中，利用孔径光阑在特定位置对光束的限制，构成特殊的光路，可以减少甚至消除由于调焦不准而引入的测量误差。 远心光路是比较重要也是在实际应用中使用比较多的一类光路类型，主要用于计量仪器之中。常用的计量仪器分为二种：一

11、种是测量长度的如工具显微镜，一种是测量距离的如：水准仪、经纬仪等。 把入射光束中通过入瞳中心的光线称为把入射光束中通过入瞳中心的光线称为主光线主光线，它代表光，它代表光束的中心。为主光线通过入射光瞳中心、孔径光阑中心和束的中心。为主光线通过入射光瞳中心、孔径光阑中心和出射光瞳中心。每个物点仅对应一条主光线。出射光瞳中心。每个物点仅对应一条主光线。 23物方物方远心光路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，这种光路称为物方远心光路物方远心光路。非物方远心光路测量测量误差1yyy24物方远心光路此时，主光线在物方平行于光轴，在像方必经过像方焦点，主光线在像面上的高度为：x

12、yyyf 显然，y与y一一对应，不论物体位置如何变化，主光线在像面上的位置始终不变，消除了由于调焦不准而引入的测量误差。25特点：特点：光学系统的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处。 物方远心光路的特点及优点可以工具显微镜为例进行说明。 作用：作用：消除（减少）由于视差所引起的测量误差。 26像方像方远心光路远心光路孔径光阑位于光学系统的物方焦面上时，其出瞳在像方无穷远，这种光路称为像方远心光路像方远心光路。非像方远心光路则主光线在像面上的高度为：yylfxl因像面位置的调焦状况而变化，因此测得的主光线的像高y随l的变化而变化，产生测量误差。27像方远心光路此时，主光线在物

13、方经过系统的物方焦点，在像方以平行于光轴的方向射出，其高度为：yyhfx显然，无论像面调焦情况如何，主光线在像面上的高度始终不变，消除了由于调焦不准而引入的测量误差。28特点：特点：光学系统的像方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于像方无限远处。 作用：作用：消除/减少测距误差。 29三、场镜的应用三、场镜的应用有时具体的仪器结构需要长光路的显微镜系统，一般加一个-1倍透镜转像系统来达到加长光路的目的。上述光路使物镜后面的系统口径大到不堪设想的地步，原因是孔径光阑在物镜上，主光线在转像透镜和目镜上的投射高度很高。物镜孔径光阑目镜30因此在一次实象面处加一块透镜，以降低主光线在后面系统上的投射

14、高度。而且对显微系统的光学特性无影响，也不改变轴上点的光束走向。这种和像平面重合，或者和像平面很靠近的透镜称为场镜场镜。场镜将孔径光阑成像在-1倍转像透镜上。而且满足后面的光瞳相接原则。-1*转像透镜一次实像面31显微系统总结：显微系统总结：一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微物镜上，一次实像面处安装系统的视场光阑；显微系统用于测长时，为消除测量误差，孔径光阑安放在显微物镜的像方焦面处，形成物方远心光路；在长光路系统中往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径。32一、景深一、景深在空间有一定深度的物体成平面像，这种情况的出现与物体发出光束受到限制有关。33在平面上成清晰像的物空间

15、深度称为景深景深。与像平面共轭的物平面为对准平面对准平面。能成清晰像的最远物面称为远远景面景面。能成清晰像的最近物面称为近景面近景面。远景面到近景面之间的距离称为景深景深。相应有远景深远景深和近景深近景深。由几何关系知：1111122122zPPDPPDPDzzPPDPPDzDPZ1、Z2的像的光斑应满足清晰像，即12zzz11DPPDzDPPDz1122z PPPDzz PPPDz 2222DPzD Pz 接受器分辨率表明远景深与近景深并非对称于对准平面。12 34影响景深位置的因素 影响景深位置的因素：光圈，焦距，摄距（物距）。这三者与景深的关系如下： 光圈大，景深小；光圈小，景深大。 焦距长，景深小；焦距短，景深大。 物距近，景深小；物距远，景深大。 景深产生原因： 接收器件本身不完善性造成的。 22