工程光学与技术4

1、一、光阑及其分类一、光阑及其分类1 1、光阑光阑 光学系统中可以限制光束的光学元件的边框，光学系统中可以限制光束的光学元件的边框，或者带孔的金属薄片通称为光阑。或者带孔的金属薄片通称为光阑。2、光阑的分类、光阑的分类 光阑根据在光学系统中的作用不同主要光阑根据在光学系统中的作用不同主要有三类有三类： 孔径光阑孔径光阑、视场光阑视场光阑和和消杂光光阑消杂光光阑。光阑在光学系统中的作用：1 1、决定像面的照度。、决定像面的照度。2 2、决定系统的视场。、决定系统的视场。 3 3、限制光束中偏离理想位置的、限制光束中偏离理想位置的一些光线，用以改善系统的成一些光线，用以改善系统的成像质量像质量4 4

2、、拦截系统中有害的杂散光。、拦截系统中有害的杂散光。以普通照相机来说明光阑以普通照相机来说明光阑可变光阑可变光阑底片底片4-1 孔径光阑和入瞳、出瞳孔径光阑和入瞳、出瞳一、孔径光阑、入瞳和出瞳一、孔径光阑、入瞳和出瞳 定义：定义： 光学系统中对于光轴上物点发出的光束起主要限制作用的光学系统中对于光轴上物点发出的光束起主要限制作用的光阑。光阑。孔径光阑与入瞳、出瞳之间的关系 通过入射光瞳通过入射光瞳中心中心的光线称为的光线称为主光线主光线o 由于共轭关系，主光线也必然通过孔径由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。光阑中心和出瞳中心。o 显然，主光线是各个物点发出显然，主光线是各个

3、物点发出的成像光束的光束轴线。的成像光束的光束轴线。o光束的孔径角是表征实际光学系统功光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重要性能参数之一。能的重要性能参数之一。o它不但决定了像面的它不但决定了像面的照度照度，而且，而且还决定了光学系统还决定了光学系统分辨能力分辨能力。 对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种孔径角相应的性能参数种孔径角相应的性能参数 o 显微系统和投影系统的物镜常用显微系统和投影系统的物镜常用nsinsinU Umaxmax表示，表示，被称之为被称之为数值孔径数值孔径，用，用NANA表示，即表示，即maxUsinnN

4、A n n n 物方空间的介质折射率。物方空间的介质折射率。n 物方孔径角物方孔径角U Umaxmax越大，其越大，其数值孔径数值孔径也越大也越大。n 进入系统的光能越多，理论分辨本领越高。进入系统的光能越多，理论分辨本领越高。o 望远系统和摄影系统常用望远系统和摄影系统常用相对孔径相对孔径A来表示来表示 fDA AD fF1n D 入瞳直径入瞳直径 f物镜焦距物镜焦距n 相对孔径相对孔径A越大，表明能进入系统的光能也越多越大，表明能进入系统的光能也越多o 而照相机，则常用另一个术语而照相机，则常用另一个术语光阑指数光阑指数，用用F来表示，它是相对孔径的倒数，即来表示，它是相对孔径的倒数，即n

5、 F俗称俗称光圈光圈，相对孔径越大时，光圈数值愈小，相对孔径越大时，光圈数值愈小。 必须注意：1、 光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的。体而言的。2 2、如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径、如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限制。光孔所限制。3 3、对于对于无限远的物体无限远的物体，光学系统的所有光孔被其，光学系统的所有光孔被其前面的光学零件在物空间所成的像中，直径最前面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的一个光孔像就是系统的入瞳。小的一个光孔像就

6、是系统的入瞳。二、孔径光阑设置原则二、孔径光阑设置原则例例:与眼睛配合使用的目视仪器与眼睛配合使用的目视仪器光阑位置与光学零件重合光阑位置与像方焦平面重合o 在光学仪器中，很大一部分仪器用来测量在光学仪器中，很大一部分仪器用来测量长度。长度。 o 一类仪器是光学系统有一定放大率，使被一类仪器是光学系统有一定放大率，使被测物的像和标准刻尺相比，求被测物体的测物的像和标准刻尺相比，求被测物体的长度，如长度，如工具显微镜工具显微镜等计量仪器。等计量仪器。o 另一类仪器是把一标尺放在不同的位置，另一类仪器是把一标尺放在不同的位置，光学系统改变放大率，使标尺的像等于一光学系统改变放大率，使标尺的像等于一

7、个已知值，来求仪器到标尺间距离，如个已知值，来求仪器到标尺间距离，如大大地测量仪器地测量仪器中的视距测量。中的视距测量。 物方物方远心光路和远心光路和像方像方远心光路远心光路o 在工具显微镜光学系统的实像平面上，放置已知刻度在工具显微镜光学系统的实像平面上，放置已知刻度值的透明刻尺（称为分划板）值的透明刻尺（称为分划板）o 分划板上刻尺的格值已考虑了物镜的放大率。分划板上刻尺的格值已考虑了物镜的放大率。 o 按此方法测量，刻尺与物镜之间的距离应保持不变，按此方法测量，刻尺与物镜之间的距离应保持不变，使物镜的放大率保持常数使物镜的放大率保持常数o 这种测量方法的这种测量方法的测量精度测量精度在很

8、大程度上取决于像平面在很大程度上取决于像平面与刻尺平面的重合程度。与刻尺平面的重合程度。 分划分划板板物镜物镜yBAyAB由于入瞳在无限远处，物方主光线平行于光由于入瞳在无限远处，物方主光线平行于光轴的光学系统，故称为轴的光学系统，故称为物方远心光路物方远心光路。 o 在大多数的计量光学仪器中，其孔径光阑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（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像方焦平面上以形成物方远心光路以提高观测精度。测精度。o 在光学仪器中常采用另一种光路在光学仪器中常采用另一种光路像方远心像方远心光路。光路。o

9、 它是孔径光阑（或入瞳）安置在整个光组的它是孔径光阑（或入瞳）安置在整个光组的物方焦平面上形成的物方焦平面上形成的。光阑位置与光学零件重合光阑位置与物方焦平面重合o像方远心光路常用在大地测量仪像方远心光路常用在大地测量仪器（光组为望远镜系统）中以提器（光组为望远镜系统）中以提高测距精度。高测距精度。o这种光路也常用在照明系统中，这种光路也常用在照明系统中，以使它与成像系统的物方远心光以使它与成像系统的物方远心光路相配合。路相配合。利用像方远心光路测量距离三、场镜的应用三、场镜的应用4-2 视场光阑、入射窗、出射窗视场光阑、入射窗、出射窗o 光学系统的成像范围是有限的。光学系统的成像范围是有限的

10、。n 照相机中底片框限制了被成像范照相机中底片框限制了被成像范围的大小围的大小。 n 工具显微镜中分划板的直径决定工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的大小成像物体的大小。o 这种限制物体成像范围的光阑称为这种限制物体成像范围的光阑称为视场视场光阑光阑。视场光阑与光窗视场光阑与光窗o与孔径光阑类似，视场光阑被其与孔径光阑类似，视场光阑被其前面的光组在整个系统的物空间前面的光组在整个系统的物空间所成的像称为所成的像称为入射窗（简称入入射窗（简称入窗）窗）。o视场光阑被其后面的光组在整个系视场光阑被其后面的光组在整个系统的像空间所成的像称为统的像空间所成的像称为出射窗出射窗（简称出窗）（简称出窗）

11、o把孔径光阑以外的所有光孔通把孔径光阑以外的所有光孔通过其前面的光组成像，则在这过其前面的光组成像，则在这些像中些像中入射窗对入瞳中心的张入射窗对入瞳中心的张角为最小角为最小。o可找出系统中哪一个光孔是视场可找出系统中哪一个光孔是视场光阑。光阑。o入射窗限制着物空间的成像范围。入射窗限制着物空间的成像范围。o 把除孔径光阑外的所有光孔通过其后面把除孔径光阑外的所有光孔通过其后面的光组在整个系统的像空间成像时，的光组在整个系统的像空间成像时，出出射窗对出射光瞳中心的张角为最小射窗对出射光瞳中心的张角为最小。 o 出射窗限制了像方视场范围出射窗限制了像方视场范围o 入射窗和出射窗共轭入射窗和出射窗

12、共轭。 o 入射窗、视场光阑和出射窗在各自的空入射窗、视场光阑和出射窗在各自的空间对同一条主光线起限制作用，间对同一条主光线起限制作用，主光线主光线和光轴间的夹角即表示整个光学系统的和光轴间的夹角即表示整个光学系统的视场角。视场角。o 当物体在当物体在无限远无限远时，常用时，常用视场角视场角表示光学系表示光学系统的视场，以统的视场，以2表示。表示。o 当物体在当物体在有限距离有限距离时，常用物高表示视场，时，常用物高表示视场，称为称为线视场线视场，以，以2y表示。表示。o视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的的。n 当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能当孔

13、径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替被另外的光孔所代替。 渐晕现象渐晕现象o以上只讨论了入射光瞳为无限小时的以上只讨论了入射光瞳为无限小时的情况。情况。o实际上光学系统的入射光瞳总有一定实际上光学系统的入射光瞳总有一定的大小的大小。o在多数情况下，入射窗并不能完全在多数情况下，入射窗并不能完全决定光学系统的成像范围。决定光学系统的成像范围。A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1在物面上按其成像光束孔径角的不同可在物面上按其成像光束孔径角的不同可分为三个区域：分为三个区域：o 第一个区域第一个区域是以是以B1

14、A为半径的圆形区，为半径的圆形区，其中每个点均以充满入射光瞳的全部光其中每个点均以充满入射光瞳的全部光束成像。束成像。o 此区域之边缘点此区域之边缘点B1由入射光瞳下边缘由入射光瞳下边缘P2和入射窗下边缘点和入射窗下边缘点M2的连线所确定。的连线所确定。 A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1o 第二个区域第二个区域是以是以B1B2绕光轴旋转一周所绕光轴旋转一周所形成的环形区域，在此区域内，每一点已形成的环形区域，在此区域内，每一点已不能用充满入瞳的光束成像，在含轴面内不能用充满入瞳的光束成像，在含轴面内看光束，由看光束，由B

15、1点到点到B2点，其能通过入射点，其能通过入射光瞳的光束，由光瞳的光束，由100%到到50%渐变，渐变，这这就是就是轴外点的渐晕现象轴外点的渐晕现象。o 此区域的边缘点此区域的边缘点B2由入射光瞳中心由入射光瞳中心P和入和入射窗下边缘射窗下边缘M2的连线确定。的连线确定。A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1o第三个区域是以第三个区域是以B2B3绕光轴旋转一周所绕光轴旋转一周所形成的环形区域，形成的环形区域，o在此区域内各点的光束渐晕更为严重，在此区域内各点的光束渐晕更为严重，由由B2点到点到B3点，其渐晕系数由点，其渐晕系数

16、由50%降降低到低到0。oB3点是可见视场最边缘点，它由入射光点是可见视场最边缘点，它由入射光瞳上边缘点瞳上边缘点P1和入射窗下边缘点和入射窗下边缘点M2的连的连线所决定。线所决定。 A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1o以上三个区域只是大致的划分，实以上三个区域只是大致的划分，实际上在物平面上，由际上在物平面上，由B1到到B3点的点的渐晕系数由渐晕系数由100%到到0是渐变的是渐变的，并没有明显的界限。并没有明显的界限。减少渐晕现象的方法o 入射光瞳具有一定大小时，入射光瞳具有一定大小时，没有渐晕的情况也是存在没有渐晕的情

17、况也是存在的。的。 o 入射窗和物平面相重合。入射窗和物平面相重合。 o 或者或者把视场光阑设置在像把视场光阑设置在像平面上。平面上。o 视场具有清晰的界限。视场具有清晰的界限。 物平面物平面入窗入窗入瞳入瞳出瞳出瞳像平面像平面视场光阑视场光阑出窗出窗光学系统的视场大小用两种方法表示光学系统的视场大小用两种方法表示 o线视场：线视场：对近距离成像的光组，常对近距离成像的光组，常用能看到的物平面直径来表示。用能看到的物平面直径来表示。 o视场角：视场角：对远距离或无限远物体成对远距离或无限远物体成像的光组，常用角度来表示其视场像的光组，常用角度来表示其视场的大小。的大小。n 这就是前面谈到过的这

18、就是前面谈到过的物方物方视场角视场角2和和像方像方视场角视场角2。 o综上所述，孔径光阑和视场光阑是光综上所述，孔径光阑和视场光阑是光学系统中起重要作用的两种光阑，学系统中起重要作用的两种光阑，n 前者主要限制成像光束的孔径，即决定像的前者主要限制成像光束的孔径，即决定像的照度。照度。n 后者决定视场，即物体被成像的范围。后者决定视场，即物体被成像的范围。n o切不可把孔径光阑和视场光阑混为一切不可把孔径光阑和视场光阑混为一谈谈 4-3 4-3 光学系统的景深和焦深光学系统的景深和焦深o上节讨论在垂直于光轴的平面上点上节讨论在垂直于光轴的平面上点的成像问题。的成像问题。n 如：照相制版物镜和电

19、影放映物镜如：照相制版物镜和电影放映物镜o实际上有很多光学仪器需要把空间实际上有很多光学仪器需要把空间中的物点成像在一个像平面上（称中的物点成像在一个像平面上（称为平面上的空间像），如望远镜和为平面上的空间像），如望远镜和照相物镜等就属于这一类。照相物镜等就属于这一类。 入瞳入瞳出瞳出瞳BB1abB01B2B3B4PPAB04B03B02B2”B3”B4”B1”B4B3B2ABabB1AB对准平面对准平面AB景像平面景像平面oab和和a b 的大小和入射光瞳的直径有的大小和入射光瞳的直径有关，入射光瞳直径减少，弥散斑也随之关，入射光瞳直径减少，弥散斑也随之减少减少 o物空间各空间点的成像，相当

20、于以入射物空间各空间点的成像，相当于以入射光瞳中心为光瞳中心为投影中心投影中心，以，以主光线主光线为投影为投影线，将各点投影到对准平面上后，再成线，将各点投影到对准平面上后，再成像到景象平面上。像到景象平面上。n 或者在像空间以出射光瞳中心为投影中心，各空或者在像空间以出射光瞳中心为投影中心，各空间像点沿主光线投影到景象平面上，即是空间物间像点沿主光线投影到景象平面上，即是空间物点的平面像。点的平面像。 o 如果入瞳位置对如果入瞳位置对于物方空间点于物方空间点（即景物）位置（即景物）位置发生变化，则景发生变化，则景象也随之变化。象也随之变化。o 投影中心作前后投影中心作前后移动时，投影像移动时

21、，投影像的变化和景物是的变化和景物是不成比例的，这不成比例的，这种现象称为种现象称为景象景象畸变畸变，也称为，也称为透透视失真。视失真。对准平面对准平面AAAAPPS1S2入射光瞳入射光瞳出射光瞳出射光瞳景像平面景像平面Po根据理想光学系统特性，物根据理想光学系统特性，物空间一个平面，在像空间只空间一个平面，在像空间只有一个平面与之共轭。有一个平面与之共轭。o讨论讨论:当入射光瞳一定时，在物空间有当入射光瞳一定时，在物空间有多大深度范围的物体能在景象平面上成清多大深度范围的物体能在景象平面上成清晰像晰像(以摄影物镜为例）。以摄影物镜为例）。 任何光接收器都不能接受到真正的几何像点，且任何光接收

22、器都不能接受到真正的几何像点，且分辨本领也不一样，因此只要像的弥散斑足够小分辨本领也不一样，因此只要像的弥散斑足够小并能满足接受器的分辨本领，就可人为这个弥散并能满足接受器的分辨本领，就可人为这个弥散斑是一个点斑是一个点一个光学系统是能对一个光学系统是能对空间物体空间物体成一个清晰的成一个清晰的平面像平面像能在像平面上获得清晰像并沿光轴能在像平面上获得清晰像并沿光轴方向的方向的物空间深度物空间深度称为称为成像空间深成像空间深度度(景深景深)ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1设在设在B1点和点和B2点之间的物空间各点均能在点之间的物空间各点均

23、能在像平面像平面A成清晰像成清晰像ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1l1=p1-p称为后景深；称为后景深；l2=p-p2称为前景深称为前景深总景深总景深l=l1+l2=p1-p2为前后景深之和为前后景深之和ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1A为为对准平面对准平面，其对应的是，其对应的是景像平面景像平面All1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1能成清晰像的能成清晰像的最远最远平面（平面（B1）称为）称为远景远景能成清晰像的能成清晰像的最近最近

24、平面（平面（B2）称为）称为近景近景 11z z22z zll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1DpppzpppDz111111DpppzpppDz222222ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1222ppz Dp111ppz Dpll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1人在看图片时，一般是把图片放在眼前人在看图片时，一般是把图片放在眼前250mm处，被称为处，被称为明视距离明视距离Mll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP

25、1P2DB2AB1z2z1若弥散斑在明视距离对眼睛的张角若弥散斑在明视距离对眼睛的张角小于小于分辨角分辨角，看上去就是一点看上去就是一点ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z112z z M人眼的分辨率人眼的分辨率ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z111DppDz 22DppDz ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1MDpDp2MDpDp1ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1MDMpppl11MDMpppl22前景深前景深后景深后景深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1pf 由于由于那么那么p fxfll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1MDMpppl11MDMpppl22p fxfMpDfMpl21Mp