4工程光学讲稿(光阑).ppt

1、第四章 光学系统中的光阑和光束限制 4.1 光阑 一、光阑Stop ： 1. 定义： 1）光学系统中设置的一些带有内孔的金属薄片，专用光阑，如图42 2）光学零件的镜框 2. 形状：圆形、方形、矩形 3. 作用：用光阑的内孔限制成像光束的大小，提高成像质量,二、光阑种类： 1. 孔径光阑（有效光阑）Aperture Stop： 限制进入光学系统成像光束口径的光阑。 1）对轴上点：孔径光阑决定了轴上点孔径角的大小。 结论1：孔径角u的大小受光阑大小和位置的影响；为使u为定值，光阑的位置不同，孔径也不同。,2）对轴外点： 结论2：对轴外点B发出的宽光束而言，光阑处于不同位置时，将选择不同部分的光参

2、与成像，这样通过改变光阑的位置，就可以选择成像质量较好的部分光束参与成像，提高（改善）成像质量。,结论3：在保证成像质量的前提下，合理选取光阑的位置，可使整个系统的横向尺寸减小，结构匀称。图45 结论4：系统中的光阑只是针对某一物体位置而言的，若物体位置发生了变化，则原光阑会失去限光作用。,2. 视场光阑Field Stop： 用以限制成像范围的光阑。 视场光阑的形状多为正方形、长方形。 例如：显微系统中的分划板就是视场光阑，照相系统中的底片也是视场光阑。,4.2 入射光瞳和出射光瞳 一、定义： 入瞳 Entrance Pupil：孔径光阑经其前面光组在物空间所成的像。图46 特点：入瞳决定了

3、物方孔径角的大小，是所有光线的入口。,A,A,L1,L2,孔径光阑,2. 出瞳Exit pupil：孔径光阑经后面光组在像空间所成的像 特点：出瞳决定了像方孔径角的大小，是所有出射光的出口,实例：照相机镜头中的孔径光阑以及入瞳和出瞳,3. 判断入瞳、出瞳的方法： 将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对其前（后）面的光学系统成像到系统的物（像）空间去，并根据各像的位置及大小求出它们对轴上物（像）点的张角，其中张角最小者为入瞳（出瞳）。,A,L1,L2,孔径光阑,Q1,Q1,L2,例题1：光路由一个透镜和一个光阑组成，用作图法求它的孔径光阑,1）将D1，D2在物方求像 2）求D1、D2 对光轴

4、的张角，张角最小者为入瞳，它对应的光阑就是孔径光阑。,例题2：如图所示，L1、L2是两个正透镜，A为物点，P是位于两透镜之间的光孔，已知透镜的焦距f1 =20mm，f2=10mm, 物距100mm，间距d1=40mm, d2=20mm，直径D1=D2=6mm，DP=2mm, 求系统的孔径光阑。,-100,40,20,D1=6,DP=2,A,L1,L2,P,D2=6,解：求出所有光学元件在物空间的像，为此将整个系统翻转1800 求光孔P经透镜L1成像：,将上述所有成像结果再转回1800，得到下图。,系统的出瞳在透镜L2之后20mm处，大小为2mm。,求Dp对后面光组的像，由高斯公式得：,例题3：

5、上例中，若物点位于轴上无限远处，问此时哪一个光阑是系统的孔径光阑? 解： 当物点位于轴上无限远时，从物点向光阑像边缘引伸光线，实际上这些光线都平行于光轴。所以，此时只须比较位于系统物空间的所有光阑像的孔径大小，直径最小者就是入瞳，它对应的光阑就是孔径光阑。 由上例计算可知， D1 6 mm，Dp2mm，D23mm。Dp最小，所以为入瞳， P为孔径光阑。 出瞳则为光孔P对后面透镜L2在像空间所成的像，孔径光阑没有变，所以出瞳的大小和位置不变。,二、主光线及相对孔径： 1. 主光线 Chief ray：通过入瞳中心的光线。 特点：主光线不仅经过入瞳中心，也通过出瞳中心及孔径光阑中心 2. 相对孔径

6、（D入/f ）：系统的入瞳直径与系统的焦距之比 3. 光瞳数（F数）：相对孔径的倒数，K= f/D入 4. 数值孔径NA：NA=n1sinU1，物方孔径角的正弦与物方折射率之积。,4.3 视场光阑 一、视场度量两种方式 1. 线视场： 物方：2y 像方：2y 2. 视场角 Field angle 物方：2，在物空间，从入瞳中心向入射窗边缘所引伸光线的张角 像方：2，在像空间，从出瞳中心向出射窗边缘所引伸光线的张角 当物体位于无限远时，如望远镜，常用视场角表示其视场大小 当物体位于有限距离或很近距离时，如显微镜，常用所见到的物平面直径表示其视场大小,二、入射窗、出射窗 Entrance wind

7、ow and exit window 1、入射窗：视场光阑经前面光组在物空间所成的像； 决定2w的大小 2、出射窗：视场光阑经后面光组在像空间所成的像； 决定2w的大小 3、判断方法： 将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对其前（后）面的光学系统成像到系统的物（像）空间去，并根据各像的位置及大小求出它们对入（出）瞳中心的张角，其中张角最小者为入射窗（出射窗）。,三、渐晕Vignetting （对轴外点而言）： 1. 定义：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至50） 优点：1 提高像质；2 减小横向尺寸。 缺点：降低轴外点像面照度，能量减少。,入瞳,轴外物点

8、B发出的充满入瞳的光束，其中只有一部分（画有阴影线部分）通过系统成像，而其上下各有一部分分别被透镜L2与L1的镜框所遮拦。因此，轴外物点成像光束的孔径显然要比轴上物点小。致使像面上从中央到边缘，光照度逐渐下降，这种现象称为“渐晕”。,2. 消除渐晕的方法： 入射窗与物平面重合，出射窗与像平面重合。 3. 渐晕系数K 线渐晕系数： Kw=2b/2h 式中：2b是轴外点发出光束的宽度； 2h是轴上点发出光束的宽度 若2b，2h在入瞳面内度量，则表示为,4.4 典型光学系统的光束限制 一、望远镜（开普勒）Telescope,1、望远系统的特点：平行光入射，平行光出射，光学间隔0 2、光瞳衔接原则：前

9、一个系统的出瞳与后一系统的入瞳重合，否则会产生光束拦截现象。 3、光束限制： 望远系统中，一般情况下，物镜镜框是它的孔径光阑，也是系统的入瞳。它经目镜所成的像就是系统的出瞳，一般与人眼眼瞳相重合。 出瞳的位置与目镜最后一面之间的距离就是出瞳距。一般出瞳距810mm ，若加防毒面具则出瞳距至少要为几十毫米。 分划板是其视场光阑。它放置于实像平面上，主要用于限制视场的大小。,(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没定； (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。,总结上面的分析： (1)两个光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则

10、； (2)目视光学系统的出瞳一般在系统之外，且出瞳距大于6mm。,孔径光阑处于不同位置时的成像光束,二、显微镜 Microscope 由物镜与目镜构成，在中间也有一实像面，可放置分划板，用于观察近处的物体。显微系统它的物镜焦距与目镜焦距都比较短，从而出现较大的光学间隔。,显微镜光学系统,当物经显微系统成像时，实现的是二次成像过程。物位于物方焦面附近，经物镜成一放大的、倒立的实像，实像面一般位于目镜的物方焦面附近，之后再经目镜成一正立、放大的虚像。最终的结果是：成一倒立、放大的虚像。,实际上显微镜是个复杂的放大镜。 对低倍显微系统而言，其孔径光阑是物镜框（入瞳）；而出瞳也与人眼眼瞳相重合；对高倍

11、显微系统而言，其孔径光阑是专门设置的；对显微系统而言，其视场光阑是分划板；位于目镜物方焦点附近。,三、照相系统 Photographic system 三部分组成 1、物镜：可以把不同远近物体发出的光经系统进行成像。 2、可变光阑：是系统的孔径光阑，其大小可调，能够调节进入系统的能量多少。 3、底片：用于记录物体经系统所成的像，在照相机中它起到视场光阑作用，限制的是照相机的成像范围。,照相机和光阑的作用,小结： 1、在照相光学系统中，根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置，其大致位置在照相物镜的某个空气间隔中。 2、在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅由孔径光阑的口径确定，而且还和渐晕光阑的口

12、径有关。 3、照相光学系统中，感光底片的边框就是视场光阑。,4.5物方远心光路,物方远心光路及其特点 : 入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行光轴,场镜的应用,图421长光路显微镜系统,图422加入场景的系统,场镜的作用：降低主光线在后面系统上的投影高度，达到前后系统的光瞳衔接 小结： 1、一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微物镜上；一次实像面处安装系统的视场光阑。 2、显微镜系统用于测长目的时，为了消除测量误差，孔径光阑安装在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远心光路” 3、在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径。,4.6 光学系统的景深 一、景深 定义：在景象平面

13、上所获得清晰像的空间深度（）,空间点的平面像,缩小光瞳时，弥散斑也将缩小，当光瞳缩小到一定程度时，就能保证对准平面附近一定距离的物点都能成清晰的像。这个距离就是景深。,z的大小与入瞳直径2a和空间点距对准平面的距离有关。,二、公式 1. 远景平面、远景深度：能成清晰像的最远的平面；远景对对准平面的距离叫远景深度（1）。 2. 近景平面、近景深度：能成清晰像的最近的平面；近景对对准平面的距离叫近景深度（2）。 而景深就是1+2。,对准平面上，弥散斑允许的直径为：z = z1 = z2 = p,三,结论： 入射光瞳的直径越小，景深越大。 若远景深度 ，则 即 从对准平面A点看入瞳时，入瞳张角 2u 应等于。 若把对准平面调焦在 处， 不能太大，否则散斑直径增大，从而减少景深。 故 ，当x一定（即对准平面位置确定）时，f 越大，越小,作业题2： 1、已知放大镜的焦距为25，通光孔径D1=25，人眼的瞳孔D2=2，位于放大镜后10处，物体位于放大镜前23，求系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。 2、相距50共轴放置的两个正透镜L1和L2