第四章：应用光学——光学系统的光束限制

1、1第四章第四章 光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制Stops in Optical SystemsStops in Optical Systems理想光学系统对任意物以任意宽的光束给出理想光学系统对任意物以任意宽的光束给出某一定倍率的像某一定倍率的像; ;实际光学系统的成像光束将会受到限制实际光学系统的成像光束将会受到限制. .透透镜的大小和像面的大小有限镜的大小和像面的大小有限，从而限制了成，从而限制了成像光束的宽度和成像范围像光束的宽度和成像范围; ; 实际光学系统必须限制参与成像的光束宽度实际光学系统必须限制参与成像的光束宽度和光束范围，以保证成像质量。和光束范围，以保证成像质量。

2、2本章内容本章内容4.1 4.1 光阑光阑4.2 4.2 孔径光阑孔径光阑4.3 4.3 场镜场镜4.4 4.4 视场光阑视场光阑4.54.5远心光路远心光路34.1 4.1 光阑光阑照相系统由三部分组成：镜头，照相系统由三部分组成：镜头，可变光阑（光圈）可变光阑（光圈）、底片、底片镜头：镜头：起成像作用起成像作用底片：底片：感光部分感光部分可变光阑（光圈）：可变光阑（光圈）：限制限制成像光束成像光束底片框：底片框：限制成像范围限制成像范围4一、概念一、概念光阑光阑：光学系统中所有限制光束的孔或框（透镜框、棱镜框）：光学系统中所有限制光束的孔或框（透镜框、棱镜框） 主要包括主要包括孔径光阑、视

3、场光阑和消杂光光阑孔径光阑、视场光阑和消杂光光阑 孔径光阑孔径光阑 Aperture StopAperture Stop：限制进入光学系统成像光束口径：限制进入光学系统成像光束口径大小的光阑。大小的光阑。 决定了光学系统的光能量大小决定了光学系统的光能量大小 控制像的亮度控制像的亮度 如：照相机的光圈，物镜框等。如：照相机的光圈，物镜框等。位置随光学系统而异位置随光学系统而异5任何光学系统中，孔径光阑都是存在的任何光学系统中，孔径光阑都是存在的孔径光阑的位置不同，轴外物点参与孔径光阑的位置不同，轴外物点参与成像的光束成像的光束位置位置就不同就不同孔径光阑的位置不同，轴外物点发出并参与成像孔径光

4、阑的位置不同，轴外物点发出并参与成像的光束通过的光束通过透镜的部位透镜的部位就不同就不同6视场光阑视场光阑Field StopField Stop：限制成像范围的光阑限制成像范围的光阑 位置固定，总是设在系统的位置固定，总是设在系统的实像平面实像平面或物平面上或物平面上 例如，照相机中的底片框例如，照相机中的底片框消杂光光阑消杂光光阑：消除杂光的光阑消除杂光的光阑 杂光能引起成像对比度的下降杂光能引起成像对比度的下降 不限制成像光束的大小不限制成像光束的大小 把镜筒内壁加工成螺纹，并涂以黑色无光漆把镜筒内壁加工成螺纹，并涂以黑色无光漆74.2 4.2 孔径光阑孔径光阑入瞳入瞳：孔径光阑经前面光

5、组，在系统物空间所成的像：孔径光阑经前面光组，在系统物空间所成的像出瞳出瞳：孔径光阑经后面光组，在系统像空间所成的像：孔径光阑经后面光组，在系统像空间所成的像入瞳作图：入瞳作图：入瞳与孔径光阑物像共轭入瞳与孔径光阑物像共轭 相当于把孔径光阑看成像，求物相当于把孔径光阑看成像，求物出瞳作图：出瞳作图：入瞳出瞳孔径光阑A1A1A2A289注意：注意：入瞳的位置和直径代表了入射光束的位置和口径；入瞳的位置和直径代表了入射光束的位置和口径； 入瞳描述了一条光线能否通过系统；入瞳描述了一条光线能否通过系统；入瞳、孔径光阑、出瞳互为物像共轭；入瞳、孔径光阑、出瞳互为物像共轭； 入瞳与孔阑相对于孔阑前的部分

6、光组共轭；入瞳与孔阑相对于孔阑前的部分光组共轭； 出瞳与孔阑相对于孔阑后的部分光组共轭；出瞳与孔阑相对于孔阑后的部分光组共轭； 因此，出瞳与入瞳相对于整个光学系统共轭。因此，出瞳与入瞳相对于整个光学系统共轭。例：判断入瞳和出瞳位置（见教案）例：判断入瞳和出瞳位置（见教案）如果光阑在整个光学系统的右侧空间，那么它本身也就如果光阑在整个光学系统的右侧空间，那么它本身也就是是出瞳出瞳；如果光阑在整个光学系统的左侧空间，它就是；如果光阑在整个光学系统的左侧空间，它就是入瞳；入瞳；通过入瞳边缘的光线，必然成为出瞳的边缘光线；通过入瞳边缘的光线，必然成为出瞳的边缘光线；10由于共轭关系，主光线也必然通过入

7、瞳中心和出瞳中心。由于共轭关系，主光线也必然通过入瞳中心和出瞳中心。显然，主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴线。显然，主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴线。11 当一个系统中有多个光阑时，到底谁是孔径光阑？当一个系统中有多个光阑时，到底谁是孔径光阑？ 标准：谁对成像光束的大小起决定作用，谁就是孔径光阑标准：谁对成像光束的大小起决定作用，谁就是孔径光阑 步骤：步骤： 方法一：方法一： 将系统中所有光阑分别对其前面的光组成像；将系统中所有光阑分别对其前面的光组成像； 确定各个像中对轴上物点张角最小者，即入瞳；确定各个像中对轴上物点张角最小者，即入瞳； 此入瞳所对应的光阑即是孔径光阑此入瞳所

8、对应的光阑即是孔径光阑 12QQQ2A -UP1PP2入射光瞳入射光瞳孔径光阑孔径光阑L1L2 2L213方法二：方法二： 将系统中所有光阑分别对其后面的光组成像；将系统中所有光阑分别对其后面的光组成像； 确定各个像中对轴上像点张角最小者，即出瞳；确定各个像中对轴上像点张角最小者，即出瞳； 此出瞳所对应的光阑即是孔径光阑此出瞳所对应的光阑即是孔径光阑14PL1AU孔径光阑孔径光阑QQ2QL2P P 出射光瞳出射光瞳L115孔径光阑设置原则孔径光阑设置原则目视仪器：目视仪器：出瞳与人的眼瞳在位置上必须重合。出瞳与人的眼瞳在位置上必须重合。光瞳衔接原则：光瞳衔接原则：两光学系统联用时，前面系统两光

9、学系统联用时，前面系统的出瞳与后面系统的入瞳要重合，否则会产生的出瞳与后面系统的入瞳要重合，否则会产生光束切割。光束切割。目视仪器出瞳应在目镜后，离开目镜距离称为目视仪器出瞳应在目镜后，离开目镜距离称为出瞳距出瞳距l lz z，一般仪器要求大于，一般仪器要求大于6mm6mm，对于军用对于军用仪器，要大一些，可能大于仪器，要大一些，可能大于2020毫米。毫米。164-3 场镜的特性及其应用场镜的特性及其应用一、场镜的作用一、场镜的作用物镜物镜目镜目镜F物物、F目目17F 物物物镜物镜场镜场镜目镜目镜场镜的作用：场镜的作用：在不改变光学系统成像特性在不改变光学系统成像特性的前提下，改变成像光束的位

10、置，减小后的前提下，改变成像光束的位置，减小后续光组的口径续光组的口径。18二、定义二、定义这样一种这样一种和像平面重合，或者和像平面很靠和像平面重合，或者和像平面很靠近的透镜称为近的透镜称为场镜场镜。场镜的放置会影响系统的成像特性吗？场镜的放置会影响系统的成像特性吗？ 前面光组所成的像正好位于场镜的前面光组所成的像正好位于场镜的主平面主平面上，上，通过它以后所成的像和原来像的大小相等，通过它以后所成的像和原来像的大小相等，方向相同，从而不会影响系统的成像特性。方向相同，从而不会影响系统的成像特性。19三、应用举例：三、应用举例：O1O2物镜物镜场镜场镜目镜目镜-LL 在在连续成像的组合系统连

11、续成像的组合系统中经常采用。中经常采用。当两个系统组合在一起成像时，为了使前一个系统的出射光束都能进入当两个系统组合在一起成像时，为了使前一个系统的出射光束都能进入后一个系统，而又不使后一个系统的通光口径过大，这就需要在中后一个系统，而又不使后一个系统的通光口径过大，这就需要在中间像平面上加入一个场镜。间像平面上加入一个场镜。20四、四、场镜焦距的计算场镜焦距的计算（根据主光线通过场镜前后所要求根据主光线通过场镜前后所要求的位置，用成像关系式求的位置，用成像关系式求）O1O2物镜物镜场镜场镜目镜目镜-ll 111fllmmllmmll10015021mmf60例：如图，假定前组透镜到它的像平面

12、距离为例：如图，假定前组透镜到它的像平面距离为150mm, 150mm, 后组透镜离开中间像平面的距离为后组透镜离开中间像平面的距离为100mm,100mm,要求主光线要求主光线即通过前面透镜的中心，又通过后组透镜的中心。即通过前面透镜的中心，又通过后组透镜的中心。214.4 4.4 视场光阑视场光阑入射窗入射窗：视场光阑经其前面的光组在系统物空间成的像：视场光阑经其前面的光组在系统物空间成的像出射窗出射窗：视场光阑经其后面的光组在系统像空间成的像：视场光阑经其后面的光组在系统像空间成的像视场光阑、入窗与出窗的关系：视场光阑、入窗与出窗的关系：入窗与场阑相对于场阑前的部分光组共轭；入窗与场阑相

13、对于场阑前的部分光组共轭；出窗与场阑相对于场阑后的部分光组共轭；出窗与场阑相对于场阑后的部分光组共轭；因此，出窗与入窗相对于整个光学系统共轭。因此，出窗与入窗相对于整个光学系统共轭。入瞳出瞳孔阑出窗场阑入窗y-y22视场角：视场角：物方视场角物方视场角2 2：过入窗边缘两点主光线间夹角过入窗边缘两点主光线间夹角 像方视场角像方视场角2 2：过出窗边缘两点主光线间夹角过出窗边缘两点主光线间夹角、 符号规则：光轴转向光线符号规则：光轴转向光线线视场：线视场：2y2y、2y:2y:当物体有限远时，入瞳（出瞳）中心与与入窗（出当物体有限远时，入瞳（出瞳）中心与与入窗（出窗）边缘连线和物面交点之间的线距

14、离表示。窗）边缘连线和物面交点之间的线距离表示。物体无限远时，习惯用视场角表示视场，有限远时用线视场表示视物体无限远时，习惯用视场角表示视场，有限远时用线视场表示视场。场。入瞳出瞳孔径光阑出窗视场光阑入窗y-y2324 渐晕渐晕由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像平面边缘比中心暗的现象称为平面边缘比中心暗的现象称为“渐晕渐晕”。线渐晕系数线渐晕系数 DDKD面渐晕系数面渐晕系数 SSKS 当透镜口径一定时，视场当透镜口径一定时，视场角超过某一范围，轴外物点的角超过某一范围，轴外物点的成像光束就不能充满孔径光阑成像光束就不能充满孔径光阑MN，而

15、被透镜框切割。，而被透镜框切割。25有渐晕时，斜光束的宽度不单由孔径光阑的口径有渐晕时，斜光束的宽度不单由孔径光阑的口径确定，而且还与其余光学零件或光阑的口径有确定，而且还与其余光学零件或光阑的口径有关关264.5 远心光路远心光路在仪器的实像平面上，放置有已知刻值的透明刻尺在仪器的实像平面上，放置有已知刻值的透明刻尺( (分划板分划板) )分划板上的刻值已经考虑了物镜的放大率，分划板上的刻值已经考虑了物镜的放大率，按刻度值读得的像高即为物体的尺度按刻度值读得的像高即为物体的尺度测量精度在很大程度取决于像平面与刻尺平面的重合尺度测量精度在很大程度取决于像平面与刻尺平面的重合尺度27 如果物平面的位置不准确，如图中如果物平面的位置不准确，如图中A A1 1B B1 1，到使像平面与刻尺，到使像平面与刻尺平面不重合的现象，在分划板上得弥散斑。这时测得的像平面不重合的现象，在分划板上得弥散斑。这时测得的像是两弥散斑中心距离，测得的长度略短。是两弥散斑中心距离，测得的长度略短。28把孔径光阑设在物镜的像方焦平面上即可把孔径光阑设在物镜的像方焦平面上即可物镜射出的每一光束的主光线都通过光阑中心所在的物镜射出的每一光束的主光线都通过光阑中心所在的像方焦点，而在物方主