应用光学-II)-L10 光阑ppt课件

1、应用光学应用光学应用应用#09 光阑光阑王安帮光信息2019思韵楼81092019,11,28Applied optics第五章第五章 成像光束选择成像光束选择本节内容：光阑根本概念、三种光阑本节内容：光阑根本概念、三种光阑Applied optics成像光束的选择？成像光束的选择？ 以相机光圈为例Applied optics光圈系数光圈系数(f-Stops) ：表示相对孔径：表示相对孔径 1e.g. f/2 : 入瞳直径入瞳直径=f/2 2镜头通常标志其最大光圈数镜头通常标志其最大光圈数 3相邻两档间孔径是相邻两档间孔径是 关系，阐明通光量变了一半关系，阐明通光量变了一半成像光束的选择？成像

2、光束的选择？2Applied optics 1. 控制进光量，准确曝光 剪影照片：目的曝光缺乏 f/8 - f/11+ 快门 成像光束的选择？成像光束的选择？Applied optics 2. 控制景深 成像光束的选择？成像光束的选择？Applied optics 3. 控制成像质量 成像光束的选择？成像光束的选择？镜头的光学传送函数镜头的光学传送函数MTF曲线：曲线： 曲线位置越高、越平直，成像质量越好曲线位置越高、越平直，成像质量越好f/2f/8Applied optics 光圈就是一种光阑光圈就是一种光阑 选择的方式选择的方式-光阑光阑 由一点发出能进入透镜或光学系统的光束，其立体角大由

3、一点发出能进入透镜或光学系统的光束，其立体角大小决议于透镜的直径小决议于透镜的直径 装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制光束的装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制光束的光孔，这个光孔对光学零件来说被称为光孔，这个光孔对光学零件来说被称为“通光孔径通光孔径 Applied optics选择的方式选择的方式-光阑光阑夹持光学零件的金属框透镜框、棱镜框或者人夹持光学零件的金属框透镜框、棱镜框或者人为设置的安装限制了成像光束的大小，这种限制成为设置的安装限制了成像光束的大小，这种限制成像光束的光孔称为光阑。像光束的光孔称为光阑。 有些光孔的大小是可变化的，有些光孔的大小是可变化的，这种

4、光阑称为这种光阑称为“可变光阑可变光阑 Applied optics光阑的作用光阑的作用 决议像面的照度；决议像面的照度； 决议系统的视场；决议系统的视场； 限制光束中偏离理想位置的一些光线，用以改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；善系统的成像质量； 拦截系统中有害的杂散光；拦截系统中有害的杂散光； 光阑是实践光学系统成称心完善像必不可光阑是实践光学系统成称心完善像必不可少的零件。少的零件。Applied optics光阑的分类光阑的分类 决议像面的照度；决议像面的照度； 孔径光阑孔径光阑 决议系统的视场；决议系统的视场； 视场光阑视场光阑 限制光束中偏离理想位置的一些

5、光线，用以改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；善系统的成像质量； 渐晕光阑渐晕光阑 拦截系统中有害的杂散光；拦截系统中有害的杂散光； 消杂光光阑消杂光光阑上述分类是按功能分类的，实践上，某一个光阑可以兼具多种功能，如，同时为孔阑和视阑。 消杂光光阑消杂光光阑 不限制经过光学系统中的成像光束，不限制经过光学系统中的成像光束，只限制从非成像物体射来的光、光学只限制从非成像物体射来的光、光学系统各折射面反射的光和仪器内壁反系统各折射面反射的光和仪器内壁反射的光等，这些光阑称为消杂光光阑。射的光等，这些光阑称为消杂光光阑。 物镜物镜消杂光光阑消杂光光阑分划板 视场光阑视场光阑

6、限制限制 物平面或物空间能被光学系统成像的最大范围物平面或物空间能被光学系统成像的最大范围视场的光阑。视场的光阑。(视场视场) 边缘光束边缘光束 中心光线中心光线 渐晕光阑渐晕光阑 以减少轴外像差为目的，使物空间轴外点发出的、以减少轴外像差为目的，使物空间轴外点发出的、视场内的成像光束只能部分经过，构成渐晕。视场内的成像光束只能部分经过，构成渐晕。孔径光阑：孔径光阑：限制轴上物点成像光束立体角锥角的光限制轴上物点成像光束立体角锥角的光阑。阑。起到决议能经过光学系统的光能即像平面照起到决议能经过光学系统的光能即像平面照度作用。度作用。5-2 孔径光阑、入瞳、出瞳孔径光阑、入瞳、出瞳一、孔径光阑确

7、实定一、孔径光阑确实定当实践光组中有多个光阑时，确定方法为：当实践光组中有多个光阑时，确定方法为：各个光学孔径成像到物空间；：各个光学孔径成像到物空间；：由轴上物点向光阑像边缘引光线，求光线与光轴：由轴上物点向光阑像边缘引光线，求光线与光轴的夹角；的夹角；：夹角最小者所对应的光阑即为孔径光阑。：夹角最小者所对应的光阑即为孔径光阑。确定方法可以经过图解法，也可以经过解析法。确定方法可以经过图解法，也可以经过解析法。v例例 知一光学系统由三个零件组成，透镜知一光学系统由三个零件组成，透镜1其其焦距焦距 f1= - f1 =100mm，口径，口径D1 = 40mm；透镜；透镜2的焦距的焦距f2= -

8、 f2 =120mm，口径，口径D2 = 30mm，它，它和透镜和透镜1之间的间隔为之间的间隔为d1 = 20mm；光阑；光阑3口径为口径为20mm，它和透镜，它和透镜2之间的间隔之间的间隔d2 = 30mm。物点。物点A的位置的位置L1 = -200mm，试确定该光组中，哪一，试确定该光组中，哪一个光孔是孔径光阑。个光孔是孔径光阑。 A3D2D1D1L2d1dF1,F21、图解法、图解法为了使各光阑和物点为了使各光阑和物点A产生直接联络，把它们产生直接联络，把它们全部成像到物空间去。全部成像到物空间去。3D2D3D2D1D由物点向各个像边缘引光线，得到夹角最小者所由物点向各个像边缘引光线，得

9、到夹角最小者所对应的光阑即为孔径光阑。对应的光阑即为孔径光阑。D1D2D3 解：解：1. 1.由于透镜由于透镜1 1的前面没有任何光组，所以的前面没有任何光组，所以它本身就是在物空间的像。它本身就是在物空间的像。透镜透镜2 在透镜在透镜1的右边，要使它成像光线须自右向左，的右边，要使它成像光线须自右向左，属于反向光路。而牛顿公式和高斯公式皆由正光路属于反向光路。而牛顿公式和高斯公式皆由正光路导出，符号规那么也由正光路规定，不可随意用于导出，符号规那么也由正光路规定，不可随意用于反光路。反光路。2、解析法：、解析法：方法：以为透镜方法：以为透镜2是像，求物。是像，求物。1001120111121

10、22lfllmml2522、由于、由于 f1= - f1 =100mm，l 2 = 20mm，利用高斯公式：利用高斯公式：3D2D1D2d1dF1,F28 . 025202222llyymmy75.188 . 0152 3. 3. 再求光阑再求光阑3 3被前面光组所成的像。被前面光组所成的像。 必需留意：为了求得光阑必需留意：为了求得光阑3 3在物空间的像，要使它在物空间的像，要使它分别对透镜分别对透镜1 1、2 2成像。成像。同理，求得光阑同理，求得光阑3在物空间的像在物空间的像mmy33.333mml1503mm25mm150D1D2D3mm200 物点物点A对光阑对光阑D1 的张角的张角

11、102002020011.Dtgu0833022575182.tgu0952035033333.tgu 对对D2 的张角的张角 对光阑对光阑D3 的张角的张角 u2 为最小，阐明光阑像为最小，阐明光阑像D2 限制了物点的限制了物点的物方孔径角，故透镜物方孔径角，故透镜2的镜框为孔径光阑。的镜框为孔径光阑。 二、入瞳与出瞳二、入瞳与出瞳 入瞳：入瞳： 孔径光阑被其前面的光组在光学系孔径光阑被其前面的光组在光学系统物空间所成的像称为入射光瞳。统物空间所成的像称为入射光瞳。入瞳入瞳-y -UUyQQ2Q孔径光阑孔径光阑L1L2U 物方孔径角物方孔径角PP1P2入射光瞳入射光瞳入瞳是一切入射光束的公共

12、入口入瞳是一切入射光束的公共入口2.2.轴上物点对入瞳的张角轴上物点对入瞳的张角2U-2U-物方孔径角物方孔径角孔径光阑孔径光阑Q1QQ2被其后面的透镜被其后面的透镜光组在像空光组在像空间所成的像间所成的像P1PP2 称为出称为出射光瞳，简称出射光瞳，简称出瞳，其决议了系瞳，其决议了系统像方孔径角统像方孔径角U P1P2出射光瞳出射光瞳孔径光阑孔径光阑-y -UPUyQQ2QL1L2U 像方孔径角像方孔径角出瞳出瞳出瞳是一切出射光束的公共出口出瞳是一切出射光束的公共出口2.2.轴上像点对出瞳的张角轴上像点对出瞳的张角2U2U-像方孔径像方孔径角角 Note#1: Note#1: 入射光瞳经过整

13、个光学系统所成的像就入射光瞳经过整个光学系统所成的像就是出射光瞳是出射光瞳 入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。 假设孔径光阑在整个光学系统的像空间，那么它本假设孔径光阑在整个光学系统的像空间，那么它本身也就是出射光瞳；身也就是出射光瞳； 反之，假设在物空间，它就是入射光瞳反之，假设在物空间，它就是入射光瞳 Note#2:经过入瞳中心的光线称为主光线经过入瞳中心的光线称为主光线 由于共轭关系，主光线也必然经过孔阑中由于共轭关系，主光线也必然经过孔阑中心和出瞳中心。心和出瞳中心。 主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴线。线。

14、 Note#3: 光束孔径光束孔径 光束的孔径角是表征实践光学系统功能的重光束的孔径角是表征实践光学系统功能的重要性能参数之一，用要性能参数之一，用 Umax Umax 表示。表示。 它不但决议了像面的照度，而且还决议了光它不但决议了像面的照度，而且还决议了光学系统分辨才干学系统分辨才干 对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种孔径角相应的性能参数孔径角相应的性能参数 显微系统和投影系统的物镜常用显微系统和投影系统的物镜常用nsinUmaxnsinUmax表示，表示，被称之为数值孔径，用被称之为数值孔径，用NANA表示，即表示，即ma

15、xUsinnNA n n 物方空间的介质折射率。物方空间的介质折射率。 物方孔径角物方孔径角UmaxUmax越大，其数值孔径也越大越大，其数值孔径也越大 进入系统的光能越多，实际分辨身手越高进入系统的光能越多，实际分辨身手越高 望远系统和摄影系统常用相对孔径望远系统和摄影系统常用相对孔径A A来表示来表示 fDA AD fF1 D 入瞳直径 f物镜焦距 相对孔径相对孔径A越大，阐明能进入系统的光能也越越大，阐明能进入系统的光能也越多多 照相机，那么常用另一个术语照相机，那么常用另一个术语光阑指数，光阑指数，用用F F来表示，它是相对孔径的倒数，即来表示，它是相对孔径的倒数，即 F俗称光圈，相对

16、孔径越大时，光圈数值愈小。俗称光圈，相对孔径越大时，光圈数值愈小。 Note #4:Note #4:光学系统的孔阑只是对一定位置的物体而言的光学系统的孔阑只是对一定位置的物体而言的. . 1) 1) 假设物体位置发生变化，孔阑能够会改动。假设物体位置发生变化，孔阑能够会改动。在前例中，假设物距在前例中，假设物距l1 = -100mml1 = -100mm，此光阴学系统，此光阴学系统的孔径光阑为哪一个？的孔径光阑为哪一个？ 2 2对于无限远的物体，光学系统的一切光孔被其前对于无限远的物体，光学系统的一切光孔被其前面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的一面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小

17、的一个光孔像就是系统的入瞳。个光孔像就是系统的入瞳。 3 3在目视仪器中，出瞳一定要在系统外面，以使眼在目视仪器中，出瞳一定要在系统外面，以使眼睛的瞳孔与之重合。睛的瞳孔与之重合。5-3 视场光阑、入射窗、出射窗视场光阑、入射窗、出射窗 光学系统的成像范围是有限的。光学系统的成像范围是有限的。 照相机中底片框限制了被成像范围的大小照相机中底片框限制了被成像范围的大小 工具显微镜中分划板的直径决议成像物体的大工具显微镜中分划板的直径决议成像物体的大小小这种限制物体成像范围的光阑称为视场光阑这种限制物体成像范围的光阑称为视场光阑一、视场光阑确实定方法：一、视场光阑确实定方法：2确定孔径光阑及入瞳；

18、确定孔径光阑及入瞳；1用计算法或作图法求每一光阑被它前面光组在用计算法或作图法求每一光阑被它前面光组在物空间所成的像；物空间所成的像；由入瞳中心向各光阑在物空间所成的像的边缘引由入瞳中心向各光阑在物空间所成的像的边缘引光线，夹角最小者所对应的光阑即为视场光阑。光线，夹角最小者所对应的光阑即为视场光阑。求上例中光组的视场光阑。求上例中光组的视场光阑。 f1= - f1 =100mm，D1 = 40mm；f2= - f2 =120mm，D2 = 30mm，d1 = 20mm； D3=20mm，d2 = 30mm ，L1 = -200mmmm20mm100D1D2D3mm200F Fmm30求出系统

19、每一个光阑被它前面光组在物空间所成的求出系统每一个光阑被它前面光组在物空间所成的像此步骤在求孔径光阑时曾经进展像此步骤在求孔径光阑时曾经进展 D3孔径光阑D2D1D1D2F1F2D3mm25mm15033.33w1w2w3 D1 对入瞳中心的张角为对入瞳中心的张角为 D2 本身是入瞳，本身是入瞳，D3对入瞳中心的张角为对入瞳中心的张角为 D3对入瞳中心的张角最小，故光阑对入瞳中心的张角最小，故光阑3是视是视场光阑。场光阑。 8025201.tg266. 02515033.333tg二、相关概念二、相关概念光学系统的视场光阑确定后引入如下概念：光学系统的视场光阑确定后引入如下概念：入窗限制物空间

20、的可成像范围入窗限制物空间的可成像范围出窗限制像空间的成像范围出窗限制像空间的成像范围入窗和出窗共轭。入窗和出窗共轭。在上例中，出窗与视场光阑重合。在上例中，出窗与视场光阑重合。半视场角半视场角 与与也可以表示光组视场的大小，因也可以表示光组视场的大小，因此常把此常把 与与称为视场角。称为视场角。光学系统的视场大小用两种方法表示光学系统的视场大小用两种方法表示 线视场：对近间隔成像的光组，常用能看到的线视场：对近间隔成像的光组，常用能看到的物平面直径来表示物平面直径来表示视场角：对远间隔或无限远物体成像的光组，常视场角：对远间隔或无限远物体成像的光组，常用角度来表示其视场的大小用角度来表示其视

21、场的大小用于近间隔成像系统，如显微系统用于近间隔成像系统，如显微系统用于远间隔成像系统，如望远镜，照相物镜用于远间隔成像系统，如望远镜，照相物镜视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。当孔径光阑位置改动时，原来的视场光阑当孔径光阑位置改动时，原来的视场光阑将能够被另外的光孔所替代。将能够被另外的光孔所替代。渐晕景象实践中入瞳总是有一定的大小实践中入瞳总是有一定的大小那么那么A1以内的区域每点均以充溢入瞳的以内的区域每点均以充溢入瞳的全部光束成像全部光束成像A1A2区域内每一点已区域内每一点已不能用充溢入瞳的全部不能用充溢入瞳的全部光束成像，有一部分光光束成像

22、，有一部分光线被入窗阻挠。线被入窗阻挠。A2A3区域内每点光线区域内每点光线被入窗阻挠的更多。被入窗阻挠的更多。A3点以外的区域每点光点以外的区域每点光线不能进入入瞳，不能线不能进入入瞳，不能成像。成像。O3A2A1A渐晕景象渐晕景象入瞳入瞳入窗入窗这种由轴外点发出充溢入瞳的光束中部分光线被其这种由轴外点发出充溢入瞳的光束中部分光线被其他光孔遮拦的景象称为轴外点光束的渐晕。他光孔遮拦的景象称为轴外点光束的渐晕。物点离光轴越远，渐晕越大物点离光轴越远，渐晕越大渐晕系数：被拦掉的渐晕系数：被拦掉的光束在入瞳面上的截光束在入瞳面上的截面积与入瞳面积之比。面积与入瞳面积之比。由由A1到到A2，渐晕，渐晕系数由系数由0到到0.5由由A2到到A3，渐晕，渐晕系数由系数由0.5到到1因此整个视场由亮逐渐变暗，没有明晰的界限。因此整个视场由亮逐渐变暗，没有明晰的界限。O3A2A1A入瞳入瞳入窗入窗O1A入瞳入瞳入窗入窗O2A1A入瞳入瞳入窗入窗O3A2A1A入瞳入瞳入窗入窗入射光瞳具有