工程光学第五章

1、唐山学院机电工程系工程光学第第5章章 光学系统的光束限制光学系统的光束限制5.1 概述5.2 孔径光阑5.3 视场光光阑5.4 渐晕光阑与场镜5.5 景深和焦深25.1 概述任何光学系统对光束包括两个基本限制：（1）对入射的光束大小 （2）对成像范围研究的意义：（1）反映了光学系统的某些重要性能；（2）决定了光学系统对物体细节的分辨力和系统的景深；（3）对光学系统的像差也有重要影响。3光阑：在光学系统中对光束起限制作用的光学元件。 可能是某一透镜的边框，也可能是专门设计的任一形状的光孔器件。分类：根据各种光阑限制光束的目的，大体分为：孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑、消杂光光阑45.1.1 孔径光

2、阑1.光学系统中用于限制成像光束大小的光阑称为孔径光阑孔径光阑。如照相机的可调光圈。2.在光学系统中，描述成像光束大小的参量称为孔径。3. 系统对近距离物体成像，孔径大小用孔径角U表示；对远距离物体成像，孔径大小用孔径高度h表示。565.1.2 视场光阑1、在光学系统中，用于限制成像范围大小的光阑称为视场光阑视场光阑。如照相机中的底片框。2、光学系统中描述成像范围大小的参量称为视场。3、系统对近距离物体成像时，视场大小用物体高度y表示，对远距离物体成像时，用视场角w表示。 785.1.3 渐晕光阑渐晕：视场范围内某一部分区域物点的成像光束较之另一部分区域物点的光束出现减弱的现象。渐晕光阑：对轴

3、外物点的成像光束产生限制作用的一种光阑。使轴外物点通过系统的光束小于轴上物点其目的是为了改善轴外点的成像质量或减小部分光学元件的横向尺寸。 95.1.4 消杂光光阑用来限制一些非成像光线，如由于镜头表面、金属表面以及镜筒内壁反射或散射产生的杂散光。10总结 孔径光阑和视场光阑是光学系统中不可缺少的。在光学系统计算中，需要根据光学系统所要求的最大视场和最大孔径来设计孔径光阑、视场光阑以及系统中各个元件的横向尺寸。 光束限制的共轭原则（重要） 如果一条光线在传播过程中受到某器件的限制，那么根据共轭关系可知，在任意空间该光线也会被该器件的共轭像所限制。11共轭原则125.2 孔径光阑孔径大小（最大光

4、束的大小）以轴上物点（视场中心）来计算。在众多的通光孔径中如何判别孔径光阑?13孔径光阑的判断：根据共轭原则，将光孔在像方对光束的限制转换成“光孔”在物方对光束的限制，并比较得出何者是孔径光阑。14判断孔径光阑的步骤：（1）求出所有通光器件在物方的共轭像；（2）确定这些器件在物方允许的光束孔径角 （物在无限远处时，确定允许的光束高度）（3）比较得出其中最小孔径角所对应的器 件，即为孔径光阑。判断方法二：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，然后将得到的投射高度与相应折射面得实际孔径相比，比值最大的为孔径光阑。155.2.3 入射光瞳和出射光瞳所谓光瞳光瞳，就是孔径光阑的

5、像孔径光阑经孔径光阑前面光学系统所成的像（在物方空间的共轭像）称为入射光瞳，简称入瞳入瞳；孔径光阑经孔径光阑后面光学系统所成的像（在像方空间的共轭像）称为出射光瞳，简称出瞳出瞳 。通过入瞳中心的光线称为物点的主光线主光线。三者互为共轭关系三者互为共轭关系161718 若系统的孔径光阑与物面之间，即孔径光阑的前方没有折射和反射元件(透镜、棱镜或反射镜)，则孔径光阑的边框直接对轴上物点所张立体角范围内的光束，都能通过此光学系统到达像面或聚光面。若孔径光阑与物面之间有折射和反射元件，则因光线被折射或反射，所以能够通过光学系统的光束就应该受入瞳的限制。19需要注意的问题：（1）在具体的光学系统中，如果

6、物平面位置有了变动，究竟谁是真正起限制轴上物点光瞳作用的孔径光阑？20（2）孔径光阑对轴外物点如何影响？ 孔径光阑位置不同，轴外物点参与成像的光束位置就不同。孔径光阑的位置不同，轴外物点发出并参与成像的光束通过透镜的部位不同。孔径光阑的位置将影响通过所有成像光束而需要的透镜口径大小。21（3）孔径光阑位置的安放原则 ？不同的光学系统要求不同。如目视光学系统要求出瞳位于系统外面的适当距离处，便于人眼能与之重合，达到良好的观察效果；远心光路要求设置在系统焦点处，以减小测量误差；对于无特殊要求的系统，孔径光阑的位置可以根据光学系统像差校正的要求来确定。225.3 视场光阑视场光阑的作用 在光学系统中

7、限制成像范围（或称视场大小）视场光阑的位置：（1）放在系统像面上，如照相系统的底片（2）放在系统物面上，如书写投影仪的图片框（3）放在成像过程中某个中间实像面上，如望远系统和显微系统。23245.3.1 视场范围的计算光学系统视场范围多用物方视场角或物面半径（或直径）表示。1 视场光阑与像面重合， 物方视场（1）yy物为有限距离时2视Dy 25fytan（2） 物在无限远262 视场光阑与物面重合，视场光阑的大小就是物的大小（1）物为有限距离（2）物为无限远2视Dy Zllytan275.3.2 渐晕及其计算1 基本概念由于透镜框的限制，视场由中心向外射入系统的光线逐渐减弱至零，如此对光束限制

8、的器件也可以看作视场光阑。轴上点与轴外物点成像光束大小不同的现象称为渐晕渐晕视场光阑与物面或像面都不重合时，视场必然产生渐晕。2829通常用渐晕系数表示渐晕严重的程度： 面渐晕系数=轴外点通过系统的光束面积轴上点通过系统的光束面积 线渐晕系数=轴外点通过系统的光束直径轴上点通过系统的光束直径0DDKD302. 2. 视场光阑与物像面不重合时的视场计算视场光阑与物像面不重合时的视场计算 视场光阑与物像面不重合时必然产生渐晕，从视场中心向外垂轴物面上的渐晕系数值逐点下降，此时所说的成像范围是指达到或超过某个渐晕系数值的视场范围，例如渐晕系数为0.5的视场范围。 计算视场大小的步骤：（1）首先求出所

9、有的通光器件在系统的物方共轭像，找到入瞳；（2）按渐晕系数值在入瞳口径上截取一点，作为光线与入瞳的交点；（3）由该点向各个器件在物方的共轭像边缘作连线，并延长连线至物面，其中允许成像范围最小者对应的器件是视场光阑。31视场光阑被其前面的镜组成在系统物空间的像称为入射窗入射窗，被其后面的镜组成在系统像空间的像称为出射窗出射窗。3. 入射窗和出射窗325.4 渐晕光阑和场镜的应用1.想一想：是否所有光学系统都要求无渐晕？ 当孔径和视场都较大时，无渐晕既无必要也不可能。因为远离孔阑的透镜直径不能做得太大，且适当拦掉偏离理想成像状态较远的即像差较大的轴外光束有利于改善像质。 所以为了减小系统的横向尺寸

10、或改善轴外物点的成像质量，人为地在成像范围内产生部分渐晕，起这种光束限制作用的光学器件称之为渐晕渐晕光阑光阑；渐晕光阑不是光学系统必需的，有的时候也不只一个。 33望远系统目镜的渐晕作用与前面讲过的视场光阑的渐晕效果进行比较。34光学系统中光阑性质的判别（1）首先将光学系统中所有的光孔或框在物空间成像，求出其大小和位置；（2）由轴上物点A向各光孔和框在物空间的像的边缘张角，张角最小者为入瞳（无穷远物点直接比较像的直径），与之对应的实际光孔或框就是孔径光阑；（3）由入瞳的中心向其余光孔或框的物方像的边缘张角，张角最小者为入窗，与之对应的实际光孔或框就是视场光阑；（4）由物的边缘向入瞳边缘张角，与

11、其拦光作用的光孔或框的像相对应的实际光孔或框就是渐晕光阑（无穷远物点选择充满入瞳的最大视场角的光线）。35 场镜场镜在前面分析过的双目望远镜中，假定物镜和目镜的焦距按照系统的光学特性已经被确定，成像光束在系统中的光路也就确定了，如图a所示。36如果希望系统光学特性不变，即在物镜和目镜焦距不变的条件下，把出射光束在目镜上的投射高度降低一些，使目镜组的口径减小，由图(b)可以看到，在像平面 上加一个正透镜就可以达到此目的，而不会影响系统的光学特性。这时因为它和物镜所成的像重合，即物镜所成的像正好位于它的主平面上，通过它以后所成的像和原来像的大小相等，从而不会影响系统的成像特性。37这样一种和像平面

12、重合，或者和像平面很靠近的透镜称为“场镜”。由以上讨论可知，场镜能够改变成像光束的位置，从而最大程度地减小后面光组的口径，并且不影响系统的光学特性。选择焦距多大的场镜合适？ 根据某光线通过场镜前后的位置或角度，利用高斯公式可以求出场镜的焦距 例题5-5（P95）385.5 5.5 景深和焦深景深和焦深5.5.1 景深 想一想：为什么看许多照片时感觉远近都清楚？ 理论上，只有共轭的物平面才能在像平面上成清晰像，其他物点所成的像均为弥散斑。但当此斑对眼睛的张角小于眼睛的最小分辨角1时，人眼看起来仍为一点。此时，该弥散斑可认为是空间点在平面上的像。 39如图，当Z1和Z2小到可以看成一点时，我们认为

13、从B1到B2的空间深度范围内的物，都能在像平面上得到清晰像。我们把在平面上能成清晰像的物方空间深度叫景深景深。40A所在的平面称为景像平面景像平面；与景像平面共轭的物平面称为对准平面对准平面；能在景像平面上成清晰像的最远物面称为远景平面远景平面；能成清晰像的最近物面称为近景平面近景平面；远景面和近景面之间的距离即为景深景深。412222122112zDpzDzDpzppzDpzppz的数值由接收器的分辨力决定。当z确定后，（1）入瞳直径，景深；（2）对准平面距离，景深，（3）放大率，景深425.5.2 焦深焦深：一个物平面能够获得清晰像的像方空间深度。Dzp/243注意：注意： 景深和焦深是两个不同的概念，前者描述的是物方空间的深度，后者描述的是像方空间的深度，虽然在符号上有相似之处，但它们绝不是一对共轭关系。44焦深的存在像面调焦的不准确；景深的存在使物体不能置于所要求的正确位置； 二者在测量用的光学系统中会引入测量误差，需要构建特殊光路：物方远心光路和像方远心光路。5.5.3 远心光路远心光路451. 物方远心光路通过光学系统对AB成像测AB的长度，精确调焦可以精