工程光学第四章郁道银版PPT作者窦柳明(长沙理工大学)

第四章

光学系统中光束限制第四章

光学系统中光束限制第一节照相系统和光阑1第二节望远镜系统中成像光束的选择2第三节显微镜系统中的光束限制与分析3第四节光学系统的景深4实际光学系统都不是理想光学系统，必须限制参与成像的光束宽度和成像范围，以保证成像质量。第一节

照相系统和光阑可变感光一、照相系统的基本结构镜头：将外界景物成像在底片上。可变光阑：调节其大小可改变成像光束宽度，从而调节光能量，以适应外界不同的照明条件。底片架框：其大小确定景物的成像范围。可变光阑不能置于镜头上，否则就不可变。超出底片范围光线被挡，不感光第一节

照相系统和光阑二、光阑孔径光阑：限制轴上点或视场中央部分成像光束口径的光阑。如照相系统中的可变光阑A.视场光阑：限制成像范围的光阑。如照相系统中的底片框B1B2光阑：限制成像光束的光孔或限制成像范围的光孔或框可变感光A第一节

照相系统和光阑就限制轴上点的光束宽度而言，孔径光阑处于什么位置，成像并没有区别。三、孔径光阑的作用孔径光阑的位置对入射光束有很直接的选择作用，对于轴上物点和轴外物点，其限制或选择作用不同。孔径光阑对轴上点光束的限制第一节

照相系统和光阑孔径光阑的位置不同，参与成像的轴外光束不一样，轴外光束通过透镜的部位不一样，需要透过全部成像光束的透镜口径大小也不一样。轴外光束通过透镜的部位不一样，经过透镜的折射情况就不一样，其成像质量就不一样，这说明光阑位置的变动影响轴外点的像质，也说明孔径光阑的位置是由轴外光束的要求决定。MNM’N’孔径光阑对轴外点光束的限制第一节

照相系统和光阑渐晕、渐晕光阑以及渐晕系数渐晕：轴外点光束一部分被透镜的边框阻挡而不能参与成像，轴外点成像光束宽度较之轴上点成像光束宽度要小，因此像面边缘部分就比像面中心暗，这种现像称为“渐晕”。第一节

照相系统和光阑出瞳：孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像。它是出射光束的出口。入瞳和出瞳：入瞳：孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像。它是入射光束的入口。A’为入瞳A为出瞳主光线：通过入瞳中心的光线称为主光线。主光线（或其延长线）必通过入瞳、孔径光阑和出瞳中心。入瞳与出瞳对于整个系统是物像共轭关系第一节

照相系统和光阑出射窗：视场光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像。视场光阑及入射窗、出射窗入射窗：视场光阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像。入射窗在无穷远处出射窗与B1B2重合第一节

照相系统和光阑小结：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。从照相物镜的前面看孔径光阑，则看到的就是入瞳；从照相物镜的后面看孔径光阑，则看到的就是出瞳，为什么？第一节

照相系统和光阑EF-S18-200mmf/3.5-5.6IS镜头光学系统结构图UD镜片也称超低色散镜片（(UltraLowDispersion），是具有低折射、低色散特点的照相机光学镜片,两片UD镜片组合用于色差补偿。第一节

照相系统和光阑EF24mmf/1.4LIIUSM镜头光学系统构成第一节

照相系统和光阑3、照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。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径有关。4、孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或矩形等。第一节

照相系统和光阑第二节望远系统中成像光束的选择一、望远系统的基本结构与光学数据望远物镜和目镜是望远系统的基本组成部分，再加上为了光路转折和转像而加入的反射棱镜等光学零件，系统中的限制光束情况就更复杂。成像光束的选择问题，直接影响到各个光学零件尺寸和整个仪器的大小。第二节

望远系统中成像光束的选择目镜双目望远镜系统：光学数据：视角放大率Г=6×；视场角2ω=8。30’；出瞳直径D’=5mm；出瞳距离lz’≥11mm；物镜焦距f’物=108mm；目镜焦距f’目=18mm望远镜系统简化图:(将物镜、目镜当作薄透镜，不考虑棱镜并拉直光路)第二节

望远系统中成像光束的选择二、望远系统中的光束限制

前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合，否则会产生光束切割，即前面系统的成像光束中有一部分将被后面的系统拦截，不参与成像。光瞳衔接原则：双目望远系统是与人眼联用，人眼的入瞳就是瞳孔，要满足光瞳衔接原则则望远系统的出瞳应该在目镜后方，且离目镜后一面有一定距离（出瞳距lz’）。由于眼睛睫毛的关系，出瞳距一般不能小于6mm。军用考虑防毒面具，出瞳距一般在20mm左右。第二节

望远系统中成像光束的选择1，物镜左侧10mm若视场角为ω=4。15’则分划板上的一次实像高为(孔径光阑位于物镜处)：设出瞳直径D’=5mm则入瞳直径D＝ΓD’=30mm分划板框起了照相机中底片框的作用，限制了视场。它就是视场光阑。第二节

望远系统中成像光束的选择从左至右追迹一条主光线，可得光线在物镜、分划板、和目镜上的投射高度。孔径光阑在不同位置处的计算：阑位D物D棱D分D目Lz’(1)31.531.5>D棱>161623.520.5(2)3030>D棱>161623.721.0(3)31.631.6>D棱>161624.021.3通光口径D通h是轴上点边光在光学零件上的投射高度物镜的通光口径无论在何种光阑位置情况下都是最大的；出瞳距各情况下相差不大且能满足要求。所以选择使物镜口径最小的光阑位置最合适，故选第二种情况将物镜框作为系统孔径光阑。第二节

望远系统中成像光束的选择2，物镜上hz物＝0mmhz分＝8mmhz目＝9.35mmlz'=21mm3，物镜右侧10mmhz物＝0.82mmhz分＝8mmhz目＝9.51mmlz'=21.3mm1，物镜左侧10mmhz物＝0.75mmhz分＝8mmhz目＝9.25mmlz'=20.5mm孔径光阑在：孔径光阑处于不同位置时的成像光束光阑位于（1）处时，选择较上部分轴外光束参与成像；光阑位于（2）处时，选择中间部分轴外光束参与成像；光阑位于（3）处时，选择较下部分轴外光束参与成像；光阑位置不同，选择的轴外光束位置也不同。第二节

望远系统中成像光束的选择三、小结：（1）两个光学系统连用时，一般应满足光瞳衔接原则。（2）目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm。（3）望远系统的孔径光阑大致在物镜左右。（4）放分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。第二节

望远系统中成像光束的选择第三节

显微镜系统中的光束限制与分析一、简单显微镜系统的光束限制显微镜系统光路系统成像光束的口径由物镜框限制，物镜框是孔径光阑；位于目镜物方焦平面上的圆孔光阑或分划板框是视场光阑。第三节

显微镜系统中的光束限制与分析二、远心光路显微镜测长原理显微镜测长原理：在物镜的实像平面上放一刻有标尺的透明分划板，标尺的格值已考虑了物镜的放大率，当物体成像于分划板上时，按刻尺读得像的长度即为物体长度。用此法时，标尺分划板与物镜之间的距离要固定不变，以确保物镜放大率为常量，同时通过调焦使被测物像面与分划板重合，否则有误差。当物镜框为孔径光阑时，由于调焦不准而带来的测量误差.第三节

显微镜系统中的光束限制与分析当孔径光阑位于像方焦平面时，可以矫正由于调焦不准而带来的测量误差.入瞳位于无穷远，轴外特点的主光线平行于光轴，这样的光路称为“物方远心光路”显微镜测长原理由于孔径光阑与物镜像方焦平面重合，无论物位于什么位置，它们的主光线是重合的，即轴外点的光束中心是相同的，在分划板标尺上形成的两弥散斑中心间距没有变。这样虽调焦不准，但也不产生测量误差。第三节

显微镜系统中的光束限制与分析三、场镜的应用场镜：和像平面重合或者和像平面很靠近的透镜第三节

显微镜系统中的光束限制与分析设计时常使主光线经过场镜后通过-1×转像透镜的中心，这样物镜后的系统口径最小场镜的作用：降低主光线在后面系统上的投影高度-1×转像系统位于一次实像面，以降低主光线在后面系统的投射高度。原理上是物体位于2倍焦距处的透镜系统小结: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。

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”。第三节

显微镜系统中的光束限制与分析第四节

光学系统的景深一、光学系统的空间像许多光学系统（如望远镜、照相物镜等）是将空间中的物点成像在一个像平面上，称为平面上的空间像。空间中物点分布在离光学系统入瞳不同的距离上，各空间物点的成像原则上也与平面物体的成像不同。景像平面对准平面第四节

光学系统的景深一、光学系统的空间像空间点在平面上的像可这样来得到：以入射光瞳中心P为投影中心，将空间点B1，B2，B3和B4沿主光线方向向对准平面上投影，则投影点在景像平面上的共轭点B’1，B’2，B’3和B’4便是空间点的B1，B2，B3和B4的平面像点。第四节

光学系统的景深一、光学系统的空间像当光瞳有一定大小时，由B1发出的充满入射光瞳的光束和对准平面交为弥散斑ab，其像点B1”

在景像平面上的投影为弥散斑a’b’，ab与a’b’共轭，其它对准平面外的空间点类似。第四节

光学系统的景深一、光学系统的空间像ab或a’b’大小和入射光瞳的直径有关，入射光瞳的直径减小，弥散斑ab随之减小。当入射光瞳减小到一定程度时，弥散斑ab可看作是一个点，其共轭像a’b’也可看作一个点，此时可在景像平面上得到对准平面以外空间点的清晰像。第四节

光学系统的景深一、光学系统的空间像物方空间点成像相当于以入射光瞳中心为投影中心，以主光线为投影线，使空间点投影在对准平面上，再成像在景像平面上。或者在像空间以出射光瞳中心为投影中心，各空间像点沿主光线在景像平面上投影，也可形成空间物点的平面像。第四节

光学系统的景深光瞳对成像的影响：当入瞳和出瞳沿轴相对空间点（景物）位移时，景像亦改变。投影中心前后移动，投影像的变化和景物是不成比例的，这种现象称为透视失真。第四节

光学系统的景深视场对成像的影响景象畸变第四节

光学系统的景深二、光学系统的景深景像平面上的空间像，严格讲除对准平面上的点能成点像外，其它空间点在景像平面上只能为一弥散斑。但当其小于一定限度时，可认为是一个点。现讨论当入射光瞳一定时，在物空间多大的深度范围内的物体在景像平面上能成清晰像。第四节

光学系统的景深二、光学系统的景深景像平面上的弥散斑大小与光学系统入瞳大小、空间点距对准平面的距离有关，但如果弥散斑足够小，直至它对人眼的张角小于人眼的极限分辨角（约1’），则人眼对图像将无不清晰的感觉，即在一定空间范围内的空间点在景像平面上可成清晰像。第四节

光学系统的景深任何光能接收器都是不完善的，规定一个允许的分辨率数值后，当入射光瞳直径为一定值时，便可确定成像空间的深度，在此深度范围内的物体成清晰像。在景像平面上能成清晰像的空间深度（即对准平面附近一定距离的物点都能成清晰像的这个距离）就是景深。能成清晰像的最近平面称近景平面能成清晰像的最远平面称远景平面近景深度第四节

光学系统的景深远景深度第四节

光学系统的景深第四节

光学系统的景深正确透视距离D：观察平面照片时，为了获得空间立体感，须将照片放于眼前一定的距离处，在此距离上，照片上各像点对眼睛的张角与用眼直接观察该空间物体时其对应点对眼睛的张角相等。景像平面上弥散斑允许的直径：对准平面上弥散斑允许的直径：第四节

光学系统的景深景深公式：弥散斑对人眼的极限分辨角第四节

光学系统的景深结论：用孔径角U取代2