应用光学第五章-光学系统中成像光束的选择

1、第五章光学系统中成像光束的选择研究内容如何选择成像光束的位置和大小的问题光阑及其作用望远系统中成像光束的选择显微系统中成像光束的限制和分析光学系统的景深远心光路、场镜5-1 光阑及其作用光阑：在光学系统中，不论是限制成像光束口径、或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为“光阑”。孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径的光阑。视场光阑：限制成像范围的光阑。消杂光光阑：限制进入光学系统杂光的光阑。渐晕光阑：造成光学系统渐晕现象的光阑。孔径光阑位置的选择孔径光阑的位置在有些光学系统中有特定的要求。目视光学系统，要求光阑或光阑的象一定要在光学系统的外面，使眼睛的瞳孔与之重合。光学计量仪器中，光阑常放在

2、物镜的焦平面上，形成“远心光路”。除此以外，光阑位置可以任意选择；合理地选取光阑位置可以改善轴外点成像质量，并使得整个光学系统零件尺寸减小，系统的结构匀称。孔径光阑的位置对光束选择的作用就限制轴上点的光束宽度而言，孔径光阑处于A或者A的位置，情况并无差别。注意：此时，A和A的大小不等孔径光阑的位置对光束选择的作用对轴外点的成像光束来说，孔径光阑的位置不同，参与成像的轴外光束不一样。渐晕斜光束的宽度比轴上点的光束小，因此像平面边缘部分比像平面中心暗，这种现象称为渐晕。几个相关概念入曈与出曈入曈：孔径光阑经过其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像称为入射光瞳，简称入瞳，它是入射光束的入口。出

3、曈：孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像称为出射光瞳，简称出瞳，它是出射光束的出口。主光线：通过入瞳中心的光线称为主光线，对理想光学系统而言，主光线（或主光线的延长线）必通过入瞳、孔径光阑和出瞳的中心。显然，主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴线。几个相关概念入窗与出窗入窗：视场光阑经过其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像称为入射窗，简称入窗。出窗：视场光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像称为出射窗，简称出窗。照相系统的光阑普通照相系统由三个主要部分组成：照相镜头、可变光阑和感光底片。照相系统中的光束限制在照相系统中，根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的

4、位置，其大致位置在照相物镜的某个空气间隔中。在照相系统中，感光底片的框子就是视场光阑。孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或矩形等。5-2 望远系统中成像光束的选择典型的双目望远系统是由一个物镜、一对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的。望远镜有关光学性能的数据视角放大率：视场角：出瞳直径：出瞳距离：物镜焦距：目镜焦距：望远系统成像光束选择的分析将棱镜展开，并将展开后的平行平板以等效空气层来代替，画出系统图。考虑轴上点成像光束的传播情况。根据视觉放大率与出曈直径，入曈直径有：根据视场的要求，在分划板上的象高为：分划板限制了系统视场，它就是系统的视场光阑。望远系统成像光束选择的分析出

5、曈距：出曈与目镜最后一面之间的距离称为出瞳距，用 lz 表示。 望远系统作为目视光学系统，要求满足出瞳在目镜之外的要求。所以，孔径光阑要放在分划板以左的地方。 假定孔径光阑分别安放在如下三个地方，通过分析比较三组像方数据来确定孔径光阑的位置：（1）物镜左侧10mm（2）物镜上（3）物镜右侧10mm望远系统成像光束选择的分析（1）若孔径光阑位于物镜左侧10mm的地方，其亦为系统的入瞳。追迹过光阑（入瞳）中心的主光线，分别求得它在物镜、分划板和目镜上的投射高与出瞳距。望远系统成像光束选择的分析（2）当孔径光阑位于物镜上时，同（1）的步骤与方法，可求出主光线在各光学零件上的投射高度及出瞳距如下：望远

6、系统成像光束选择的分析（3）当孔径光阑位于物镜右侧10mm处时，为追迹主光线，可先根据高斯公式求出入瞳位置在物镜右侧11mm的地方。然后依照（1）的步骤和方法，可求出主光线在各光学零件的投射高度和出瞳距：望远系统成像光束选择的分析根据 公式可求出各光学零件的通光口径 如下表，这里h是轴上点边光在光学零件上的投射高。表中棱镜通光口径的值是估算的。望远系统成像光束选择的分析满足出曈距的要求，且使得物镜尺寸最小的光阑的位置为（2），即将物镜框作为系统孔径光阑。还要考虑光阑位置对轴外点成像光束的选择。为图示清晰，只画出三种情况时的入瞳位置。望远系统成像光束选择综上所述：（1）两个光学系统联用时，一般应

7、满足光瞳衔接原则。（2）目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm。（3）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小光学零件的尺寸和体积的考虑去设定。（4）可放分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。5-3 显微系统的光束限制一般的显微镜由物镜和目镜所组成，其光束限制：孔径光阑：物镜框视场光阑：目镜物方焦面上的圆孔光阑或分划板框-显微系统光束限制的分析视场望远系统中，成像范围用视场角表示。显微系统中，直接用成像物体的最大尺寸表示。 通常，视场光阑直径为20mm，它就决定了物镜视场。例如：一个40 x的显微物镜的最大线视场为0.5mm。显微系统光束限制的分析成像光

8、束的大小望远系统中，用入曈或出曈口径表示。显微系统中，一般用数值孔径表示。 数值孔径（NA）：显微镜物方孔径角和折射率的乘积。例如：一个目镜15x，物镜3x的显微系统，其物镜的NA取为0.1。5-4 空间物体成像的清晰深度-景深景深的概念A对准平面 A景象平面 A1远景 A2近景景深：能在景象平面上获得清晰像的物空间深度。景深的定量分析在几何光学中，将像平面上允许的最大光斑直径Z作为景深的标准。因此，对应着一定光斑直径时的景深范围：讨论：1）容许的光斑直径越大，景深越大。2）照相物镜的相对孔径越大，景深越小。无穷远景深？要求最远的清晰范围直到无穷远，求最近的对准平面的位置和总的景深。！对准平面

9、最近的位置： 相应的最近清晰物平面位置： 总的成像深度：有无限远到l2。5-5 远心光路？问题的提出计量光学仪器景深调焦误差放大率误差测量误差远心光路！问题的解决远心光路（焦阑光路）孔径光阑位于物（或像）方焦面上的光路。物方远心光路将光阑放在像方焦面上，主光线（中心光线）平行于光轴，交光轴于物空间无穷远处，称为“物方远心”光路；或者理解成入瞳在无穷远处。优点：主光线方向不变，决定了像点或中心的位置缺点：透镜的口径大。应用：已知放大率，求被测物体的长度，如工具显微镜。像方远心光路将光阑放在物方焦面上，主光线（中心光线）平行于光轴，交光轴于像空间无穷远处，称为“像方远心”光路；或者理解成出瞳在无穷远处。应用：已知物体的高度，求得仪器与标尺的距离，如经纬仪，水准仪等大地测量仪器的测距装置。5-6 场镜的特性及其应用？在一些连续成像的组合系统中，在保证系统的光学特性不变，如何减小一些透镜的通光口径。！场镜 和像平面重合，或者和像平面很靠近的透镜，称为场镜。改变成像光束的位置，但不影响系统的光学特性。场镜选择实例根据某一条光线通过场镜前后所要求的位置。减小后组的孔径，要求主光线既通过前组透镜的中心，又通过后组透镜的中心