几何光学第4章 光学系统中的光阑与光束限制

1、第一节 光阑,第二节 照相系统的光阑,第三节 望远镜系统中成像光束的选择,第四节 显微镜系统中的光束限制与分析,第五节 光学系统的景深,第四章 光学系统中的光阑(Stops),实例：透镜边缘、框架、特别设置的带孔屏障等。,作用：限制成像光束孔径、限制视场（成像范围）。,第一节 光阑,1、孔径光阑的定义和作用,一、孔径光阑 (Aperture Stops), 含义1：限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。,入射孔径角,出射孔径角, 含义2：孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用；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径角不变。,含义3：孔径光阑的位置不同，则

2、对应于选择轴外物点发出光束的不同部分参与成像。, 孔径光阑的定义： 1）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）； 2）选择轴外物点成像光束的位置。,例1：单个薄透镜系统,2、入射光瞳与出射光瞳（Entrance and Exit pupils）,入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间） 可直接确定入射孔径角 出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间） 可直接确定出射孔径角,入射（或出射）光线的延长线过入（或出）瞳的边缘,1）入瞳（或出瞳）为孔径光阑的共轭实像,2）入瞳（或出瞳）为孔径光阑的共轭虚像,例2：孔径光阑不是单纯的处在物方或像方,1）对称照相镜头,2）三片型照相

3、镜头,出瞳 入瞳,孔径光阑,孔径光阑,物像关系, 小结：孔径光阑、入瞳与出瞳,出瞳,入瞳,孔径 光阑,1）入瞳：决定光学系统的入射光束的孔径角。,2）出瞳：决定光学系统的出射光束的孔径角。,3）孔径光阑：实际对光束孔径限制作用最大的光阑。 决定了入瞳、出瞳；三者互为物像关系。,(1) 目视光学仪器的孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,两个光学系统联用共同工作时，要遵从光瞳衔接原则。,前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合； 保证后面系统接收全部出射光束时，入瞳孔径最小。,出瞳是所有物点成像光束的必经之路，在该截面光束基本重合。,例3：显微镜系统（与眼睛连用）,(2) 光路中孔径光阑的判断

4、,Q1: 不同位置的轴上物点，谁是孔径光阑？,Q2: 几个口径确定的透镜组合， 如何判断确定的轴上物点位置的孔径光阑?, 轴上物点对成像张角比较法,a. 将光学系统每个光阑（透镜边框和光圈等），对其前面的光 学系统（物空间）成像，求像之大小和位置；,b. 由轴上物点向各像边缘、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光阑；,c. 孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。,例4：已知物点A离透镜1的距离为-l1=30mm，透镜1的通光口径D1=30mm,光孔2的直径D2=22mm，像点A离透镜的距离l1=60mm，透镜与光孔之间距离为d=10mm，试确定这个系

5、统的孔径光阑、入瞳和出瞳。,A,B,A,B,1,2,解：判断孔径光阑：轴上物点的成像张角比较法,1）透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。,2）光孔2相对于前面透镜成像：,A,B,A,B,1,2,3）D1，D2对轴上物点A的张角：,D2的张角最小，最能限制轴上物点A的成像光束，为入瞳，即光孔2为孔径光阑，U2为物方孔径角。 光孔2后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，U2为像方孔径角。,2,(3) 孔径光阑位置的安放原则： a. 目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接（光瞳衔接原则）； b.在投影计量光学中，要求入瞳或出瞳位于无穷远。 c.在光学设计时，可以合理设置孔径光阑位置用以校正像差. d.

6、 各光学元件的口径匹配。, 主光线的入射、出射部分各自通过入瞳及出瞳的中心。,4、主光线（Chief ray）,出瞳,入瞳,孔径光阑,定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。, 主光线是通过孔径光阑、参与成像的光束的中心光线。,视场光阑,限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑。,Q1Q2是视场光阑。 Q1Q2为入射窗; Q1Q2本身也为出射窗。 通常设置在系统的实像平面或物平面,Q1,Q2,(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最小者即为入射窗，入射窗对应的光学零件视场光阑.,确定视场光阑的方法（了解）：,(1)把所有光孔经前面的光学系统成像到物空间，确定入瞳中心位置 (实际上

7、在确定孔径光阑时这一步骤已完成)。,入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 ，同时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件所成的像即为出射窗，出射窗对出瞳中心的张角即为像方视场角 。,视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的(因为与入 瞳出瞳有关)。,第二节 照相系统中的光阑,一、照相机的三个组成部分,镜头L、可变光阑（孔径光阑）A、 感光底片/暗盒（视场光阑）B,轴上物点：孔径光阑在不同 位置，对成像光束宽度的限 制作用相同：都是光束的中 间部分参与成像。,轴外物点：孔径光阑在 不同位置，参与成像光 束的空间位置不同，成 像质量不同。,轴外光束决定 孔径光阑的位置,假设：透镜口径足够大,1、渐

8、晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。,2、渐晕系数:,（渐晕光阑）,二、渐晕光阑 （Vignetting stop）,一般允许达到0.5,三、照相系统的光阑总结,孔径光阑在物镜中的位置,第三节 望远镜系统中成像光束的选择,一、双目望远镜的组成,1、构成,2、光学参数,目视光学系统的视角放大率： 远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该 物体直接对眼睛张角 的正切之比。,*概念区别：角放大率,复习：第二章,3、分划板 视场光阑,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， 分别与物、像面重合。,望远镜系统光束限制的总结,1、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则

9、；,2、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于6mm；,4、中间像处的分划板就是视场光阑。,3、孔径光阑大致在物镜镜框左右（满足出瞳距要求）；,第四节 显微镜系统中的光束限制和分析,一、简单显微镜系统中的光束限制,1、显微镜系统的构成,二、远心光路,1、孔径光阑在物镜上,(a) 测距原理：,(b) 调焦不准：,2) 由于调焦不精确，引 起像平面和标尺平面 不重合，从而导致测 量误差。,1) 入瞳与物镜边框重合；,F,F,2、孔径光阑在物镜 的像方焦平面上,1) 入瞳位于物方无穷远。,A和A1、B和B1的主光线分别重合，且轴外点的主光线入射部分平行于主轴。,3) 主光线是物点成像光束的中心轴，则物

10、点A1 B1在刻尺平面构成的两个弥散斑的中心间隔始终不变。, 物方远心光路,(a) 测距原理：,(b) 调焦不准：,三、场镜的应用,缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径 必须非常大。,-1透镜转像系统：加长光路。,1、长光路显微镜系统,2、降低主光线，减小后续光路口径的办法,-1转像系统, 场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。, 效果：主光线经场镜后通过-1转像透镜中心， 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。, 实际设计： 在-1转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。,四、显微镜系统光束选择的总结,1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；,4、长光

11、路显微镜系统： 利用场镜达到前后系统的光瞳衔接， 减小光学零件尺寸。,2、一次实像面处安放视场光阑；,3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上 物方远心光路,第五节 光学系统的景深,同一位置不同景深的效果,一、光学系统的空间像,1、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。,对准平面,景像平面,以入瞳中心为投影中心，以各空间点的主光线为投影方向，向对准平面投影，对应投影点在景象平面上的共轭点即为空间点的平面像。, 平面上的空间像的获得：,或：在像空间以出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的主光线为投影方向，各空间像点向景象平面投影，可得空间点的平面像。,二、光学系统的景深, 成像空间的景深： 在

12、景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。 （每一个弥散斑可近似看作一个几何点）,入瞳中心： 物空间参数 的起算原点,出瞳中心： 像空间参数 的起算原点,对准平面的弥散斑直径：,景像平面的弥散斑直径：, 正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的张角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。,眼睛,以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：,远景、近景到对准平面的距离：,总成像深度景深,过程略,影响因素1 ：孔径光阑,对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大,孔径光阑光圈,光圈数 f/2a 越大，光阑越小,不同光圈的效果,影响因素2 ：焦距,f越小， 越小，景深越大,景像平面的弥散斑直径：,影响因素3：拍摄距离,总成像深度景深,P增大分母减小，分子增大,（一）长景深的照片,（二）短景深照片,作业,1、结合画图进行名词解释：孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角 2、结合画图进行名词解释：视场光阑、入窗、出窗、视场角 3、对于一个光学