工程光学第四章_光学系统中的光阑与光束限制

1、第一节第一节 光阑光阑第二节第二节 照相系统的光阑照相系统的光阑 第三节第三节 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第四节第四节 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第五节第五节 光学系统的景深光学系统的景深 第四章 光学系统中的光阑光学系统中的光阑(Stops) 以前主要讨论以前主要讨论理想光学系统的特性理想光学系统的特性：理想光学系：理想光学系统不仅可以实现点对点成像，而且可以对任意物以任统不仅可以实现点对点成像，而且可以对任意物以任意宽的光束给出某一定倍率的像。当共轭距一定时，意宽的光束给出某一定倍率的像。当共轭距一定时，物的大小与像的大小成比例。但实

2、际光学系统的成像物的大小与像的大小成比例。但实际光学系统的成像光束将会受到限制。透镜的大小和像面的大小有限，光束将会受到限制。透镜的大小和像面的大小有限，从而限制了成像光束的宽度和成像范围。从而限制了成像光束的宽度和成像范围。 透镜的大小限制透镜的大小限制A A点发出的成像光束的点发出的成像光束的孔径角孔径角，底片的大小限制底片的大小限制成像范围成像范围，它们都是对光束的，它们都是对光束的限制，称为光阑。限制，称为光阑。 DDPDDPMNNM结论：光阑（或其像）对入射光束的限制与光阑结论：光阑（或其像）对入射光束的限制与光阑的像（或光阑）对其共轭出射光束的限制，两者的像（或光阑）对其共轭出射光

3、束的限制，两者完全等价。完全等价。 如果任意入射线如果任意入射线PM与与DD的边框部分相交，的边框部分相交，其共轭出射线必被其共轭出射线必被DD阻挡；同理，另一入射阻挡；同理，另一入射线线PN能能“通过通过” DD，其共轭出射线必能通过其共轭出射线必能通过DD。 概述概述一、光阑的概念一、光阑的概念 光阑光阑起限起限制成像光束作制成像光束作用的透光孔。用的透光孔。 孔径光阑孔径光阑限制轴上点成像光束限制轴上点成像光束中边缘光线的最大倾角（孔径角）中边缘光线的最大倾角（孔径角）视场光阑视场光阑限制物平面或物空间能限制物平面或物空间能被系统成像的最大范围（视场）被系统成像的最大范围（视场）渐晕光阑

4、渐晕光阑限制物空间轴外点发出限制物空间轴外点发出的、本来能通过上述两种光孔的成像的、本来能通过上述两种光孔的成像光束光束消杂光光阑消杂光光阑限制杂散光（从视场外限制杂散光（从视场外射入系统，或由镜头内部的光学表面、射入系统，或由镜头内部的光学表面、金属表面及镜座内壁的反射和散射所产金属表面及镜座内壁的反射和散射所产生）生）所有光所有光学系统学系统都有都有二、光阑的位置二、光阑的位置一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有 视场光阑视场光阑孔径光阑孔径光阑随系统而异，目视光学系统要求孔阑或孔阑的随系统而异，目视光学系统要求孔阑或孔阑的像一定要在外面，以与眼

5、瞳重合；远心光学系统要求孔像一定要在外面，以与眼瞳重合；远心光学系统要求孔阑在焦面上。其他无特殊要求的可以选择。阑在焦面上。其他无特殊要求的可以选择。 渐晕光阑渐晕光阑位置可选择，以改善成像质量，与视场光阑二者位置可选择，以改善成像质量，与视场光阑二者必有其一必有其一 消杂光光阑消杂光光阑位置可选择，以达到限制杂散光的目的，位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有也可以没有 孔径光阑孔径光阑 A. S.的作用的作用：限制成像光束限制成像光束口径口径控制到达像面的光能控制到达像面的光能视场光阑视场光阑 F. S.的作用的作用：限制物面上能成像的限制物面上能成像的范围范围限制视场的大小限制视

6、场的大小LPQDDSA.PQP1QQFLFSF.DDPQ1Q三三. .孔径光阑和孔径光阑和视场光阑视场光阑第一节第一节 光阑光阑1 1、孔径光阑的定义和作用、孔径光阑的定义和作用一一、孔径光阑孔径光阑 (Aperture Stops) 含义含义1 1：限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。限制成像光束和成像范围限制成像光束和成像范围 含义含义2 2：孔径光阑的位置不同，但孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用像光束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成像光束的孔

7、径角不变。证轴上物点成像光束的孔径角不变。 含义含义3 3：孔径光阑的位置不同，则对应于孔径光阑的位置不同，则对应于选择轴外物点选择轴外物点发出光束的不同部分参与成像发出光束的不同部分参与成像。（a a）物点有限远）物点有限远L1M1N1M2N22（b b）物点无限远）物点无限远 孔径光阑的定义：孔径光阑的定义：1 1）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）；）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）；2 2）选择轴外物点成像光束的位置。）选择轴外物点成像光束的位置。2 2、入射光瞳与出射光瞳、入射光瞳与出射光瞳( (Entrance and Exit pupils) Pupils： The

8、 image of the Aperture Stops入射光瞳：入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统孔径光阑经其前面光学系统所所成的像（物空间）成的像（物空间）出射光瞳：出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）照相机镜头中的孔径光阑照相机镜头中的孔径光阑F 孔径光阑孔径光阑F 孔径光阑孔径光阑物像关系物像关系后面后面光学光学系统系统入瞳入瞳出瞳出瞳孔径光阑孔径光阑前面前面光学光学系统系统整整个个光光学学系系统统 孔径光阑、入瞳与出瞳孔径光阑、入瞳与出瞳1L2LQ1Q2Q)U2Q1QQ2Q1QQAyBAyB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔径孔径光阑光阑(

9、U1 1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。2 2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。3 3）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了 入瞳、出瞳；三者互为物像关系。入瞳、出瞳；三者互为物像关系。3 3、关于孔径光阑需要注意的几个问题、关于孔径光阑需要注意的几个问题(1)(1) 轴上物点的位置发生变化，孔径光阑也会变化。轴上物点的位置发生变化，孔径光阑也会变化。 (2)(2)几个口径一定的透镜组合几个口径一定的透镜组合，判断，判断确定的轴上物点位置确定的轴上

10、物点位置的孔径光阑：的孔径光阑：追迹光线法：追迹光线法：过轴上物点的任一条近轴光线，求其在每个折射过轴上物点的任一条近轴光线，求其在每个折射面的投射高度与实际口径的比值，比值最大的折射面的边框为透面的投射高度与实际口径的比值，比值最大的折射面的边框为透镜组的孔径光阑。镜组的孔径光阑。孔径光阑的求法孔径光阑的求法 成像张角比较法：成像张角比较法： 1L2LQ1Q2Q)U2Q2L1QQAa. a. 将光学系统所有光阑（各个透镜和光圈等），对其前面将光学系统所有光阑（各个透镜和光圈等），对其前面 的光学系统（物空间）成像，求像之大小和位置；的光学系统（物空间）成像，求像之大小和位置；b. b. 由物

11、位置（轴上点）向各像边缘、第一个透镜边缘分别由物位置（轴上点）向各像边缘、第一个透镜边缘分别 作连线，求张角最小值即为入瞳，相应的共轭物为孔径作连线，求张角最小值即为入瞳，相应的共轭物为孔径 光阑；光阑；c. c. 孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。A A例例1：已知物点：已知物点A离透镜离透镜1的距离为的距离为-l1=30mm，透镜，透镜1的通光口径的通光口径D1=30mm,光光孔孔2的直径的直径D2=22mm，像点，像点A离透镜的距离离透镜的距离l1 =60mm，透镜与光孔之间距，透镜与光孔之间距离为离为d=10mm，试确定这个

12、系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。ABAB12解解：判断孔径光阑：判断孔径光阑：轴上物点的成像张角比较法轴上物点的成像张角比较法1）透镜）透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。2）光孔）光孔2相对于前面透镜成像：相对于前面透镜成像：11222222260,3020;10,202044llfldfllDDDmml 透镜焦距：光孔关于透镜的像：，；像的大小：111llf2ABAB12111221223026.5652 ( 30)2()4423.7492 (3020)DUarctglarctgDUarctgllarct

13、g 3）D1，D2对轴上物点对轴上物点A的张角：的张角： D2的张角最小，最能限制的张角最小，最能限制轴上物点轴上物点A的成像光束，的成像光束，为入瞳，即光孔为入瞳，即光孔2为孔径光阑，为孔径光阑，U2为物方孔径角。为物方孔径角。 光孔光孔2后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，U2为像方为像方孔径角。孔径角。1)U2)U22(U(3) (3) 孔径光阑位置的安放原则：孔径光阑位置的安放原则：a. a. 目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接（光瞳衔接原则）（光瞳衔接原则）；b. b. 投影计量光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化；投影计量

14、光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化；c. c. 对轴外光束像差校正；对轴外光束像差校正；d.d. 各光学元件的口径匹配。各光学元件的口径匹配。 理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。4、主光线（、主光线（Chief ray）：）：1L2LQ1Q2Q2Q1QQ2Q1QQABACB出瞳出瞳 入瞳入瞳孔径光阑孔径光阑定义：定义：离轴物点离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。发出的、通过孔径光阑中心的光线。 主光线是主光线是通过孔径光阑通过孔径光阑、并、并参与成像的物光束参与成像的物光束的的中心光线中心光线。二二、视场光阑视场光阑 (Field

15、 Stops) 1 1、视场光阑视场光阑: :定义：定义：在物在物/ /像面上安放的、限定光学系统成像范围的光阑。像面上安放的、限定光学系统成像范围的光阑。物方视场：能够清晰成像的物面范围；物方视场：能够清晰成像的物面范围； 像方视场：相应的能够清晰成像的像面范围；像方视场：相应的能够清晰成像的像面范围； 2 2、入射窗与出射窗入射窗与出射窗入射窗：入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）出射窗：出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）物方视场角物方视场角2像方视场角像方视场角23 3、视场

16、光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。物方线视场物方线视场2y像方线视场像方线视场2y长度度量：长度度量：角度度量：角度度量：物方视场角物方视场角2 像方线视场像方线视场2 4.4.视场表示方法：视场表示方法：孔阑孔阑PP 出瞳出瞳入瞳入瞳出窗出窗入窗入窗视场光阑视场光阑主光线主光线主光线主光线5.5.确定视场光阑的方法：确定视场光阑的方法：讨论条件：讨论条件： 孔阑、入瞳、出瞳均为无穷小（特殊情况），孔阑、入瞳、出瞳均为无穷小（特殊情况），轴上轴外物点均只有一条主光线经过光学系统成像。轴上轴外物点均只有一条主光线经过光学系统成像。1）首先用寻找入瞳

17、、孔阑的方法寻找到入瞳、孔阑。）首先用寻找入瞳、孔阑的方法寻找到入瞳、孔阑。2）将所有除孔阑外的光孔经其前方光组成像到物空间，求）将所有除孔阑外的光孔经其前方光组成像到物空间，求出每个光孔像的位置和大小。出每个光孔像的位置和大小。3）各）各光孔像光孔像中，对入瞳中心张角最小者，像本身为入射窗，中，对入瞳中心张角最小者，像本身为入射窗，像对应的实际光孔即为视阑。视阑经过后方光组成在像空像对应的实际光孔即为视阑。视阑经过后方光组成在像空间的像即为出射窗。间的像即为出射窗。5.5.确定视场光阑的方法：确定视场光阑的方法：照相机照相机书写式投影仪书写式投影仪显微镜、望远镜显微镜、望远镜孔径光阑和视场光

18、阑的区别：孔径光阑和视场光阑的区别：n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，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，但二者所起作用不同，但二者所起作用不同，前者主要限制成像光束的孔径，即决前者主要限制成像光束的孔径，即决定像的照度；后者决定视场，即物体被成像的范围。定像的照度；后者决定视场，即物体被成像的范围。n孔径光阑缩小时，每一物点成像光束孔径角变小，像面照度孔径光阑缩小时，每一物点成像光束孔径角变小，像面照度减小，但成像范围不变减小，但成像范围不变n 视场光阑缩小时，成像范围变小，但能成像物点的孔径角视场光阑缩小时，成像范围变小，但能成像物点的孔径角不变，即像的

19、照度不变。不变，即像的照度不变。n 孔径光阑是对一定位置的物体而言的，而视场光阑是对一定孔径光阑是对一定位置的物体而言的，而视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的位置的孔径光阑而言的，当孔径光阑位置改变时，原来的视当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替。场光阑将可能被另外的光孔所代替。一、入射窗与物平面不重合产生渐晕一、入射窗与物平面不重合产生渐晕渐晕现象：渐晕现象：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径所拦截的现象通光口径所拦截的现象1、渐晕现象：、渐晕现象：像平面的像平面的边缘边缘比中间暗比中间暗（离轴物点）（离轴物点）。（渐晕光阑）（

20、渐晕光阑）透镜边框起到透镜边框起到“拦光拦光”的作用。的作用。 三三、渐晕光阑渐晕光阑（Vignetting stop） 2、渐晕系数、渐晕系数: DDkpAAAk斜光束在入射光瞳斜光束在入射光瞳平面上垂直于光轴平面上垂直于光轴方向的宽度或面积方向的宽度或面积 面渐晕系数：面渐晕系数：线线渐晕系数：渐晕系数：3、渐晕现象产生原因：、渐晕现象产生原因：入射窗与物平面不重合产生渐晕入射窗与物平面不重合产生渐晕1 1）以以AB1AB1为半径的圆形区域：为半径的圆形区域： B1B1点是由入射光瞳的下边缘点是由入射光瞳的下边缘P2P2与入射窗的下边缘与入射窗的下边缘M2M2的的连线与物平面的交点。在这个

21、区域内每个点均以充满入射连线与物平面的交点。在这个区域内每个点均以充满入射光瞳的全部光束成象。光瞳的全部光束成象。2 2）以以B1B2B1B2绕光轴旋转一周所形成的环形区域：绕光轴旋转一周所形成的环形区域： B2B2点是由入射光瞳中心点是由入射光瞳中心P P和入射窗的下边缘和入射窗的下边缘M2M2的连线的连线与物平面相交确定的。在此区域内，已不能使所有点以与物平面相交确定的。在此区域内，已不能使所有点以充满入射光瞳的光束通过光学系统成象，这就是轴外点充满入射光瞳的光束通过光学系统成象，这就是轴外点的渐晕。的渐晕。 在物面上的整个成像范围内，随着成像光束的不同，在物面上的整个成像范围内，随着成像

22、光束的不同，可分为三个区域：可分为三个区域：由由B1B1到到B2B2点，线渐晕系数由点，线渐晕系数由1 1降到降到0.50.5线渐晕系数为线渐晕系数为1 13 3）以以B2B3B2B3绕光轴旋转一周所得到的环形区域：绕光轴旋转一周所得到的环形区域：点点B3B3是由入射是由入射光瞳的上边缘光瞳的上边缘P1P1和入射窗的下边缘的连线和物平面相交确定和入射窗的下边缘的连线和物平面相交确定的。的。由由B2B2点到点到B3B3点，线渐晕系数由点，线渐晕系数由0.50.5降到降到0 0。说明：说明：1 1）轴上点均能以充满入瞳的全光束成像。）轴上点均能以充满入瞳的全光束成像。2 2）入瞳为无穷小时，成像范

23、围由入瞳中心和入窗边缘）入瞳为无穷小时，成像范围由入瞳中心和入窗边缘连线决定。连线决定。3 3）入瞳为有限大小时，成像范围由入瞳边缘和入窗边）入瞳为有限大小时，成像范围由入瞳边缘和入窗边缘连线决定。缘连线决定。4 4）轴外点从某一视场范围开始，通过光学系统的成像）轴外点从某一视场范围开始，通过光学系统的成像光束要比轴上光束少，并逐渐递减，直至光照度为零。光束要比轴上光束少，并逐渐递减，直至光照度为零。4、消除渐晕的条件：、消除渐晕的条件：（必要条件）（必要条件）qqpBB231 由上式可知，欲使渐晕区由上式可知，欲使渐晕区B1B3B1B3为零，需使为零，需使p=qp=q，即消除渐晕的条即消除渐

24、晕的条件是：入射窗和物平面重合，件是：入射窗和物平面重合， 出射窗和象平面重合。出射窗和象平面重合。 在有的光学系统中，不存在实像平面，视场光阑在有的光学系统中，不存在实像平面，视场光阑无法与像平面重合，这种系统的视场边缘存在一个由无法与像平面重合，这种系统的视场边缘存在一个由亮到暗的过渡区域，没有清晰的视场边界。亮到暗的过渡区域，没有清晰的视场边界。例题：例题：有一光阑其孔径为有一光阑其孔径为2.52.5厘米，位于透镜前厘米，位于透镜前1.51.5厘米处，透镜焦距为厘米处，透镜焦距为3 3厘米，孔径厘米，孔径4 4厘米。长为厘米。长为1 1厘米厘米的物位于光阑前的物位于光阑前6 6厘米处，厘

25、米处，求：求：（1 1）入射光瞳和出射光瞳的位置及大小）入射光瞳和出射光瞳的位置及大小 （2 2）像的位置，并作图）像的位置，并作图 因光阑前无透镜，直接比较光阑及透镜对物因光阑前无透镜，直接比较光阑及透镜对物的张角，可知光阑即入射光瞳。出射光瞳是这光的张角，可知光阑即入射光瞳。出射光瞳是这光阑被其后面透镜所成的像。阑被其后面透镜所成的像。解：解：光阑光阑 ( 入瞳入瞳 )PQQ P F y y瞳出瞳出Ofll111已知：已知：l = -1.5 cm，f = 3cmcml325 . 13lnl nyycmyy525 . 2(1)出射光瞳的位置出射光瞳的位置(1)光阑光阑 ( 入瞳入瞳 )PQQ

26、 P F y y瞳出瞳出O(2)像的位置像的位置: :fll111cml5已知：已知：l = - ( 6 +1.5 ) cm，f = 3cm第二节第二节 照相系统中的光阑照相系统中的光阑 一、一、照相机的三个组成部分照相机的三个组成部分 镜头、可变镜头、可变光阑（孔径光阑）、感光底片光阑（孔径光阑）、感光底片/ /暗盒（视场光阑）暗盒（视场光阑）轴上物点：轴上物点：孔径光阑在不同孔径光阑在不同 位置，对成像光束宽度的限位置，对成像光束宽度的限 制作用相同：都是光束的中制作用相同：都是光束的中 间部分参与成像。间部分参与成像。轴外物点：轴外物点：孔径光阑孔径光阑在在 不同位置，参与成像光不同位置

27、，参与成像光 束的空间位置不同，成束的空间位置不同，成 像质量不同。像质量不同。轴外光束决定轴外光束决定 孔径光阑的位置孔径光阑的位置假设：透镜口径足够大假设：透镜口径足够大 M N MNA A1、渐晕现象：、渐晕现象：像平面的像平面的边缘边缘比中间暗比中间暗（离轴物点）（离轴物点）。2、渐晕系数、渐晕系数: DDK（渐晕光阑）（渐晕光阑）透镜边框起到透镜边框起到“拦光拦光”的作用。的作用。 二、二、渐晕现象渐晕现象 三、照相系统的光阑总结三、照相系统的光阑总结3 3、感光底片边框，即视场光阑；、感光底片边框，即视场光阑；1 1、根据轴外光束的像质选择孔径光阑位置；、根据轴外光束的像质选择孔径

28、光阑位置；2 2、轴外点成像光束宽度取决于孔径光阑、渐晕光阑均有关；、轴外点成像光束宽度取决于孔径光阑、渐晕光阑均有关；4 4、孔径光阑一般为圆形，视场光阑为圆形或者矩形。、孔径光阑一般为圆形，视场光阑为圆形或者矩形。孔径光阑在物镜中的位置孔径光阑在物镜中的位置说明：入瞳说明：入瞳大小的确定大小的确定n入瞳大小是由光学系统对成像光能量的要求或者对物体入瞳大小是由光学系统对成像光能量的要求或者对物体细节的分辨能力的要求确定的。细节的分辨能力的要求确定的。n相对孔径相对孔径：入瞳直径和焦距之比。：入瞳直径和焦距之比。表示入瞳大小表示入瞳大小。n在照相系统中，以在照相系统中，以光阑指数光阑指数（ F

29、 F数，俗称光圈）来表示数，俗称光圈）来表示入瞳大小，是相对孔径的倒数。入瞳大小，是相对孔径的倒数。n显微物镜的入瞳用数值孔径表示。显微物镜的入瞳用数值孔径表示。DfFfD11sinUnNA 相对孔径相对孔径光圈指数（光圈指数（F数）数）fD/Df / 1,物镜胶合透镜.2,下棱镜.3,上棱镜.4,玻璃窗.5,感光屏.6,荧光粉.7,分划板.8,目镜组.9,橙色滤光镜.所有玻璃组:玻璃目镜第一五透镜.目镜后胶合透镜.目镜前胶合透镜.物镜第一透镜.物镜第二透镜. 目视光学系统的目视光学系统的视角放大率：视角放大率： 远处物体经系统所成的像对眼睛张角远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该的

30、正切，与该物体直接对眼睛张角物体直接对眼睛张角 的正切之比。的正切之比。tantan *概念区别：角放大率概念区别：角放大率12tantanff 复习：第二章复习：第二章 第三节第三节 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 一、双目望远镜的组成一、双目望远镜的组成 1 1、构成、构成转像转像物镜、目镜的物镜、目镜的共同焦面上共同焦面上2、光学参数、光学参数6o28 30视觉放大率视觉放大率： 视场角：视场角： 108mmf物18mmf 目物镜焦距：物镜焦距： 目镜焦距：目镜焦距： 5mmD 出瞳直径：出瞳直径： 11mmzl 出瞳距离：出瞳距离： 望远镜系统简化图望远镜系统简化

31、图DDf 物f目与人眼联用与人眼联用,满足满足光瞳衔接原则光瞳衔接原则DDf 物f目分划板望远镜系统简化图望远镜系统简化图分划板分划板的作用：分划板的作用：3、分划板、分划板 分划板位于物、目两镜的共同焦面上：分划板位于物、目两镜的共同焦面上：入射窗、出射窗均在无穷远处，入射窗、出射窗均在无穷远处，分别与物、像面重合。分别与物、像面重合。tantanff 物目ffDDff物物目目DD 30mmDD 望远镜系统简化图望远镜系统简化图DDf 物f目出出瞳瞳入入瞳瞳视场光视场光阑阑1）物镜的左侧）物镜的左侧10mm；2）物镜上；）物镜上；3）物镜右侧）物镜右侧10 mm 。2 2、孔径光阑的位置：、

32、孔径光阑的位置：二、望远镜系统中的光束限制二、望远镜系统中的光束限制 1 1、光瞳衔接原则：、光瞳衔接原则： 前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。 追迹主光线追迹主光线 的投射高度的投射高度1 1）光阑在物镜的左侧）光阑在物镜的左侧10mm10mm：oooootg(4.25 )10mm tg(4.25 )0.75mmtg(4.25 )8mm0.75tgtg(4.25 )tg(4.25 )108tg()tg9.25mmtg20.zzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhd UhffUhhtgUtgUUfflhtgU 物分物物物物目目物物物物物目目目目物目目目目

33、；5mm. tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切计算法正切计算法ooooootg(4.25 )0tg(4.25 )0tg(4.25 )8mmtgtg(4.25 )tg(4.25 )tg0()tg(4.25 )9.36mmtg21mmzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhdUffhhtgUtgUUfflhtgU 物分物物物物目目物物物目目目目物目目目目；2）光阑在物镜上：）光阑在物镜上： tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切计算法正切计算法3 3）光阑在光阑在物镜右侧物镜右侧10mm10mm： ooztg(4.25 )11 tg(4.25 )

34、0.82mmzhl物8mmzh分9.51mmzh目21.3mmzlz11111mm10108zll111zllf物tantankkkkhUUf 111tankkkkhhdU正切计算法正切计算法三、望远镜系统光束限制的总结三、望远镜系统光束限制的总结1 1、两光学系统联用时，一般应满足、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则光瞳衔接原则；2 2、目视光学系统的出瞳一般在外，且、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于不小于6mm6mm；4 4、分划板就是分划板就是视场光阑视场光阑。3 3、孔径光阑大致在物镜左右孔径光阑大致在物镜左右； 4 4、光阑位置对轴外光束位置的选择、光阑位置对轴外光束位置的

35、选择(1)(1)(2)(3)(3)(2) 第四节第四节 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 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 1、显微镜系统的构成显微镜系统的构成二、远心光路二、远心光路 1、孔径光阑在物镜上、孔径光阑在物镜上(a) (a) 测距原理：测距原理：(b) (b) 调焦不准：调焦不准：2) 2) 由于调焦不精确，引由于调焦不精确，引 起像平面和标尺平面起像平面和标尺平面 不重合，从而导致测不重合，从而导致测 量误差。量误差。1) 1) 入瞳与物镜边框重合；入瞳与物镜边框重合；2、孔径光阑在物镜、孔径光阑在物镜 的像方焦平面上的像方焦

36、平面上1) 入瞳位于物方无穷远。入瞳位于物方无穷远。2) A和和A1、B和和B1的主的主光线分别重合，且光线分别重合，且轴外点的主光线平轴外点的主光线平行于主轴。行于主轴。3) 主光线是物点成像主光线是物点成像光束的中心轴，则光束的中心轴，则物点物点A1 B1在刻尺平在刻尺平面构成的两个弥散面构成的两个弥散斑的斑的中心间隔中心间隔始终始终不变。不变。 物方远心光路物方远心光路 (a) 测距原理：测距原理：(b) 调焦不准：调焦不准：三、三、场镜的应用场镜的应用 缺点：出射缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径 必须非常大。必须非常大。 -1-

37、1透镜转像系统：加长光路。透镜转像系统：加长光路。1 1、长、长光路显微镜系统光路显微镜系统 2、降低主光线，减小后续光路口径的办法、降低主光线，减小后续光路口径的办法-1-1转像系统转像系统 场镜：场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。 效果：效果：主光线经场镜后通过主光线经场镜后通过-1-1转像透镜中心，转像透镜中心， 从而对后面系统的口径要求最小。从而对后面系统的口径要求最小。 场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。 实际设计：实际设计： 在在-1-1转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。转像透镜前、物镜的实像面处

38、加场镜。四、显微镜系统光束选择的总结四、显微镜系统光束选择的总结1、一般情况，、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；孔径光阑在显微物镜上；4、长光路显微镜系统：、长光路显微镜系统： 利用场镜达到前后系统的利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，光瞳衔接， 减小光学零件尺寸。减小光学零件尺寸。2、一次实像面处安放视场光阑；、一次实像面处安放视场光阑；3、测长显微镜，、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上孔径光阑在显微物镜焦平面上 物方远心光路物方远心光路第五节第五节 光学系统的景深光学系统的景深同一位置不同景深的效果同一位置不同景深的效果一、光学系统的空间像一、光学系统的空间像对准平面对准平面景像平面景像

39、平面共轭共轭1、平面上的空间像：、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。空间点成像于一个像平面上。 以以入瞳中心入瞳中心为投影中心，以各空间点的为投影中心，以各空间点的主光线主光线为投为投影方向，向影方向，向对准平面对准平面投影，对应投影点在景象平面上的投影，对应投影点在景象平面上的共轭点共轭点即为空间点的平面像。即为空间点的平面像。 平面上的空间像的获得：平面上的空间像的获得： 对准平面外的空间点，在景象对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。平面产生一个弥散斑。弥散斑的直径与弥散斑的直径与入瞳直径入瞳直径、与景象平面的距离与景象平面的距离有关。有关。 或：在像空间以或：在像空间以

40、出瞳中心出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的为投影中心，仍以各空间点的主光线为投影方向，各空间像点向主光线为投影方向，各空间像点向景象平面景象平面投影，可得投影，可得空间点的平面像。空间点的平面像。 投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。 2、透视失真、透视失真 3、景像畸变、景像畸变pp1p1p2p2p 二、光学系统的景深二、光学系统的景深远景远景平面平面近景平面近景平面12 入瞳中心：入瞳中心：物空间参数物空间参数的起算原点的起算原点 出瞳中心：出瞳中心：像空间像空间参数参数的起算原点的起算原点 成像空间的景深：成像空间的景深： 在景象平面上

41、所获得的成清晰像的在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度物空间深度。 对准对准平面的弥散斑直径：平面的弥散斑直径：12z z11zz 22zz 景像景像平面的弥散斑直径：平面的弥散斑直径：1112pppaz2222pppaz由相似三角形得：由相似三角形得：1112pppaz2222pppaz1112ppzap 2222ppzap 1212, ,z za p p p 12,z z是否可以看做一个几何点，取决于其对观测元件的张角！两个因素：观测距离、极限分辨角两个因素：观测距离、极限分辨角12zzzzp对准平面上对应弥散斑的允许值：对准平面上对应弥散斑的允许值：11112zapzpp21222zapzpp远景、近景到对准平面的距离：远景、近景到对准平面的距离：221222ppapap 1122zaapp2222zaapp1112ppzap2222ppzap远景、近景到入瞳的距离：远景、近景到入瞳的距离：1 2清晰像：弥散斑直径对人眼的张角人眼的极限分辨角12, (2 , , )a p 眼睛眼睛ppu以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：