05 光学系统中的光束限制

1、光学系统的光束限制光学系统的光束限制一、孔径光阑和入瞳、出瞳二、视场光阑、入射窗、出射窗三、光学系统的景深和焦深提纲概述光阑的概念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。 光阑的形状：圆形、方形、矩形概述 光阑的分类孔径光阑：限制轴上物点成像光束立体角的光阑视场光阑：限制空间中成像范围的光阑消杂光光阑：限制那些非成像物体射来的杂光（各折射面反射的光和仪器内壁反射的光等）的光阑 光阑根据在光学系统中的作用不同主要有三类：1、决定像面的照度。2、决定系统的视场。 3、限制光束中偏离理想位置的一些光线，用以改善系统的成像质量4、拦截系统中有害的杂散光。概述光阑的作用例子

2、：以普通照相机来说明光阑可变光阑可变光阑底片底片概述孔径光阑 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。一、孔径光阑和入瞳、出瞳入瞳：孔径光阑经前面光组所成的像一、孔径光阑和入瞳、出瞳特点：决定了物方孔径角的大小，是所有光线的入口出瞳：孔径光阑经后面的光组所成的像一、孔径光阑和入瞳、出瞳特点：决定了像方孔径角的大小，是所有光线的出口孔径光阑与入瞳、出瞳之间的关系一、孔径光阑和入瞳、出瞳 主光线：通过入射光瞳中心的光线由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。 主光线的特点：一、孔径光阑和入瞳、出瞳 相对孔径：入瞳直径与整个系统的焦距f之比 光瞳数：相对孔径的倒数 数值

3、孔径：NA=nsinu一、孔径光阑和入瞳、出瞳必须注意：1、 光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的。2、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，光束会被其他光孔所限制。3、对于无限远的物体，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，直径最小的一个光孔像就是系统的入瞳。一、孔径光阑和入瞳、出瞳o 光学系统的成像范围是有限的。n 照相机中底片框限制了被成像范围的大小。 n 工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的大小。 视场光阑：限制物体成像范围的光阑称为视场光阑。二、视场光阑、入射窗、出射窗 入射窗：与孔径光阑类似，视场光阑被其前面的光组在整个系统

4、的物空间所成的像称为入射窗（简称入窗）。 出射窗：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出射窗（简称出窗）n把孔径光阑以外的所有光孔通过其前面的光组成像，则在这些像中入射窗对入瞳中心的张角为最小。o 可找出系统中哪一个光孔是视场光阑。o 入射窗限制着物空间的成像范围。二、视场光阑、入射窗、出射窗n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，出射窗对出射光瞳中心的张角为最小。 n出射窗限制了像方视场范围n入射窗和出射窗共轭。 n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，主光线和光轴间的夹角即表示整个光学系统的视场角。n当物体在无限远时，常用

5、视场角表示光学系统的视场，以2表示。n当物体在有限距离时，常用物高表示视场，称为线视场，以2y表示。二、视场光阑、入射窗、出射窗渐晕：轴外点发出的充满入瞳的光，被透镜通光口径所拦截的现象（普遍存在30%50%）n以上只讨论了入射光瞳为无限小时的情况。n实际上光学系统的入射光瞳总有一定的大小。n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。二、视场光阑、入射窗、出射窗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分为三个区域：p第一个区域是以B1A为半径的圆形区，其中每个点均以充满入射光瞳的全部

6、光束成像。p此区域之边缘点B1由入射光瞳下边缘P2和入射窗下边缘点M2的连线所确定。 二、视场光阑、入射窗、出射窗A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1p第二个区域是以B1B2绕光轴旋转一周所形成的环形区域，在此区域内，每一点已不能用充满入瞳的光束成像，在含轴面内看光束，由B1点到B2点，其能通过入射光瞳的光束，由100%到50%渐变，这就是轴外点的渐晕现象。p此区域的边缘点B2由入射光瞳中心P和入射窗下边缘M2的连线确定。二、视场光阑、入射窗、出射窗A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP

7、2P2P2P P P1P1P1p第三个区域是以B2B3绕光轴旋转一周所形成的环形区域，p在此区域内各点的光束渐晕更为严重，由B2点到B3点，其渐晕系数由50%降低到0。pB3点是可见视场最边缘点，它由入射光瞳上边缘点P1和入射窗下边缘点M2的连线所决定。 二、视场光阑、入射窗、出射窗A物平面物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1p以上三个区域只是大致的划分，实际上在物平面上，由B1到B3点的渐晕系数由100%到0是渐变的，并没有明显的界限。二、视场光阑、入射窗、出射窗n入射光瞳具有一定大小时，没有渐晕的情况也是存在的。 n入射窗和物平

8、面相重合。 n或者把视场光阑设置在像平面上。n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减少渐晕现象的方法二、视场光阑、入射窗、出射窗n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，n前者主要限制成像光束的孔径，即决定像的照度。n后者决定视场，即物体被成像的范围。n n切不可把孔径光阑和视场光阑混为一谈 二、视场光阑、入射窗、出射窗 上节讨论在垂直于光轴的平面上点的成像问题。n 如：照相制版物镜和电影放映物镜 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（称为平面上的空间像），如望远镜和照相物镜等就属于这一类。 三

9、、光学系统的景深和焦深入瞳入瞳出瞳出瞳BB1abB01B2B3B4PPAB04B03B02B2”B3”B4”B1”B4B3B2ABabB1AB对准平面对准平面AB景像平面景像平面三、光学系统的景深和焦深ab和a b 的大小和入射光瞳的直径有关，入射光瞳直径减少，弥散斑也随之减少 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。n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，即是空间物点的平面像。 三、光学系统的景深和焦深n如果入瞳位置对于物方空间点（即景物）位置发生变化，则景象也随之变化。n投影中

10、心作前后移动时，投影像的变化和景物是不成比例的，这种现象称为景象畸变，也称为透视失真。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P三、光学系统的景深和焦深任何光接收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一个光学系统是能对空间物体成一个清晰的平面像能在像平面上获得清晰像并沿光轴方向的物空间深度称为成像空间深度(景深)三、光学系统的景深和焦深n根据理想光学系统特性，物空间一个平面，在像空间只有一个平面与之共轭。n讨论: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

11、象平面上成清晰像(以摄影物镜为例）。 ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1设在B1点和B2点之间的物空间各点均能在像平面A成清晰像三、光学系统的景深和焦深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1l1=p1-p称为后景深；l2=p-p2称为前景深总景深l=l1+l2=p1-p2为前后景深之和三、光学系统的景深和焦深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1A为对准平面，其对应的是景像平面A三、光学系统的景深和焦深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B

12、2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1能成清晰像的最远平面（B1）称为远景能成清晰像的最近平面（B2）称为近景 三、光学系统的景深和焦深11z z22z zll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光学系统的景深和焦深DpppzpppDz111111DpppzpppDz222222ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光学系统的景深和焦深222ppz Dp111ppz Dpll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光学系统的景深和焦

13、深人在看图片时，一般是把图片放在眼前250mm处，被称为明视距离Mll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光学系统的景深和焦深若弥散斑在明视距离对眼睛的张角小于分辨角，看上去就是一点ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光学系统的景深和焦深12z z M人眼的分辨率人眼的分辨率ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光学系统的景深和焦深11DppDz 22DppDz ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB

14、2AB1z2z1三、光学系统的景深和焦深MDpDp2MDpDp1ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1MDMpppl11MDMpppl22前景深前景深后景深后景深ll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光学系统的景深和焦深pf 由于那么p fxfll1l2p2P p1P1PP2AB1B2z1z2P1P2DP1P2DB2AB1z2z1三、光学系统的景深和焦深MDMpppl11MDMpppl22p fxfMpDfMpl21MpDfMpl22总景深为222222212pM fDpMDflll三、光学

15、系统的景深和焦深从l1、l2看出，摄影物镜的后景深大于前景深 ，这与以下有关： 入瞳直径D：当D越小，其景深越大，反之则相反； 从DF=f 可知，若想获得较大的景深需要较大的光圈指数F，但这时在f 不变的情况下，入瞳较小所进入的光能也较小，需要较长的曝光时间。 当共轭面的一定时， f 越长，则对准平面越远，即p越大，景深越大。例题1： 有一摄影物镜，若要求对准平面后的空间均能在景像平面上成清晰像，问对准距离应为多少？近景位于何处？解：欲使 为无限大，其公式的分母为零，就有 将p值代入前景深公式，就可得到前景深和近景距：MDfp MDfl22MDflpp222MpDfMpl211l例题例题2： 照相机物镜焦距为照相机物镜焦距为75mm，在对准平面离相机，在对准平面离相机2m时，时，所用的光圈指数为所用的光圈指数为11和和5.6；设眼睛分辨率为；设眼睛分辨率为1.5，求这两种情，求这两种情况下的景深大小？况下的景深大小？n当当F=11时，其入瞳时，其入瞳D为为 当