应用光学：第五章-光学系统中成像光束的选择

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五章光学系统中的光阑(Stops)第一节光阑1、孔径光阑的定义和作用一、孔径光阑(ApertureStops)

★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。2、入射光瞳与出射光瞳（EntranceandExitpupils）★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；三者互为共轭关系。3.光路中孔径光阑的判断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.将光学系统所有光阑（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1：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，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。ABA'B'12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：2′ABA'B'123）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′二、视场光阑(FieldStops)

1.视场光阑轴上点Q与轴外点P，各自的成像光束受限有何不同？——随着物点离轴距离的增大，主光线会被某光阑（非孔径光阑）边缘所遮断，使得光学系统清晰成像的物面范围（特别是轴外物）受到限制。★视场光阑：限定光学系统成像范围的光阑。——物方视场（能够清晰成像的物面范围）——像方视场★入射视场角：主光线入射部分与光轴的夹角ω0★出射视场角：主光线出射部分与光轴的夹角ω0´以主光线刚好被视场光阑边缘遮断的轴外物点为分界：渐晕？2.渐晕：像平面上，视场的边缘比中间暗。★视场光阑设在物平面上，其在像方的共轭落在像平面上。★视场光阑设在像平面上，其在物方的共轭落在物平面上。解决办法：★视场光阑设在中间像的平面上，其在物、像方的共轭分别落在物、像平面上。例：望远镜显微镜3.入射窗与出射窗★入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）★出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）视场光阑、入射窗与出射窗三者互为共轭关系。视场光阑的判断——入瞳中心的成像张角比较法判断除孔径光阑以外，求系统其他光孔在物空间的像，各像边缘与入瞳中心的连线（主光线）中，张角最小的为入射窗,最能限制物空间的成像范围。对应的光孔即为视场光阑。

出瞳入瞳孔径光阑视场光阑(出窗)入窗物像共轭:入射窗出射窗视场光阑物方视场角像方视场角1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。2、渐晕系数:

（渐晕光阑）——透镜边框起到“拦光”的作用。三、渐晕光阑（Vignettingstop）

B1点：这以内是无渐晕成像范围，充满入瞳的光全通过，像面照度均匀；B2点：恰使主光线通过，半渐晕；B3点：最大成像范围。线渐晕系数面渐晕系数入瞳入窗物平面用什么来描述渐晕严重程度？渐晕的优点：提高像质，减小横向尺寸。渐晕的缺点：降低轴外点像面照度，能量减少。对于有一定大小的入射光瞳的光学系统，也可以不存在渐晕。

以上所有量均以入射光瞳中心为原点。

消除渐晕的方法：欲使渐晕区B1B3为零，需使p=q，即入窗与物面重合，出窗与像面重合。入瞳入窗物平面1、孔径光阑：入瞳、出瞳（轴上物点的成像张角比较法）

**光学系统的物（像）方孔径角：

轴上物（像）点-入瞳边缘连线，与光轴的夹角。四、小结2、视场光阑：入射窗、出射窗

**光学系统的物（像）方视场角：入射窗两边缘对入瞳中心的张角。出射窗两边缘对出瞳中心的张角。3、渐晕

由轴外物点发出的、充满入瞳的光束中，部分光线被其他光孔阻挡，导致的像平面内的视场逐渐昏暗的现象，对应的光孔即为渐晕光阑。第五节光学系统的景深同一位置不同景深的效果一、光学系统的景深★成像空间的景深：在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。

判断标准：将像平面上允许的最大光斑直径作为景深的标准B1AB2A1A2MM'N'NHH'DA2'A1'A'Z'Z'l2l2'll'l1l1'远景平面对准平面近景平面景像平面

B1AB2A1A2MM'N'NHH'DA2'A1'A'Z'Z'l2l2'll'l1l1'两式相减通分得

因为l远大于f',定义相对孔径（D/f'）

例2：如果使用相机，要求最远的清晰范围知道无穷远，求最近的基准平面和总的成像深度。解：当l1=-∞，代入公式

解得

近景景深：

解得

总景深：由无穷远处到l2距离即为总景深。例3：已知照相机的物镜的焦距f'=