工程光学第四章课件

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

第四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。——限制成像光束和成像范围★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。2、入射光瞳与出射光瞳(EntranceandExitpupils)★Pupils：

TheimageoftheApertureStops★入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）★出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）照相机镜头中的孔径光阑孔径光阑孔径光阑物像关系后面光学系统入瞳出瞳孔径光阑前面光学系统整个光学系统★孔径光阑、入瞳与出瞳出瞳入瞳孔径光阑1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。3）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了入瞳、出瞳；三者互为物像关系。★成像张角比较法：

a.将光学系统所有光阑（各个透镜和光圈等），对其前面的光学系统（物空间）成像，求像之大小和位置；b.由物位置（轴上点）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′★理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。4、主光线（Chiefray）：出瞳入瞳孔径光阑★定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。★主光线是通过孔径光阑、并参与成像的物光束的中心光线。二、视场光阑(FieldStops)

1、视场光阑:★定义：在物/像面上安放的、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：相应的能够清晰成像的像面范围；2、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）3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。视场光阑

限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑。

Q1Q2是视场光阑。Q'1Q'2为入射窗;Q1Q2本身也为出射窗。通常设置在系统的实像平面或物平面出射光瞳孔径光阑入射光瞳BAQ1Q2P1P2P'2P'1P''1P''2O1P''PP'O2-UU'视场光阑(出射窗)入射窗Q1’Q2’B'ABO'2O1O2PP'A'ωP''ω'入射窗出射光瞳孔径光阑入射光瞳孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。线视场:物方线视场为物高的两倍，以2y表示。像方线视场为像高的两倍，以2y'表示。减小孔径光阑并不会对视场产生影响孔径光阑的变化孔径光阑BAP1P2O1P''PPO2-UU'主光线视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光线的限制。例：有一个由三个光学零件组成的光组，透镜O1,其口径D1＝4mm．f’1=36mm，透镜O2，其口径D2＝12mm，f’2=15mm,二透镜间隔195mm，在离透镜O1右180mm处设有一光孔D3＝10mm，物点离透镜Ol为-45mm．1）求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的大小和位置？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mmAO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm透镜O2经O1成像

AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳U1最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经O2的像为出瞳。

AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（2）求视场光阑、入窗、出窗

故光孔O3为视场光阑，入窗与物平面重合，大小为2.5mm，出窗在无穷远

ω3ω2f/1f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64

★轴上物点：孔径光阑在不同位置，对成像光束宽度的限制作用相同：都是光束的中间部分参与成像。★轴外物点：孔径光阑在不同位置，参与成像光束的空间位置不同，成像质量不同。——轴外光束决定孔径光阑的位置假设：透镜口径足够大M´N´MNA´A光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响孔径光阑位置移动，对轴上成像光束并无影响。光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响光阑位置对成像光束的影响孔径光阑位置移动，对轴外成像光束有明显影响。1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。二、渐晕光阑（Vignettingstop）

渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑渐晕光阑

轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称为“渐晕”。该光阑称为“渐晕光阑”，渐晕光阑多为透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制轴外点成像光束。渐晕光阑“渐晕系数”：

三、照相系统的光阑总结3、感光底片边框，即视场光阑；1、根据轴外光束的像质选择孔径光阑位置；2、轴外点成像光束宽度取决于孔径光阑、渐晕光阑均有关；4、孔径光阑一般为圆形，视场光阑为圆形或者矩形。孔径光阑在物镜中的位置

第三节望远镜系统中成像光束的选择

一、双目望远镜的组成

1、构成转像物镜、目镜的共同焦面上2、光学参数★视觉放大率：★视场角：★物镜焦距：★目镜焦距：★出瞳直径：★出瞳距离：望远镜系统简化图与人眼联用,满足光瞳衔接原则★目视光学系统的视角放大率：远处物体经系统所成的像对眼睛张角的正切，与该物体直接对眼睛张角的正切之比。*概念区别：角放大率复习：第二章3、分划板——视场光阑分划板位于物、目两镜的共同焦面上：入射窗、出射窗均在无穷远处，分别与物、像面重合。望远镜系统简化图出瞳入瞳hz物hz目hz分1）物镜的左侧10mm；2）物镜上；3）物镜右侧10mm。2、孔径光阑的位置：二、望远镜系统中的光束限制

1、光瞳衔接原则：

——前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。★追迹主光线的投射高度望远镜系统的光阑位置实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔径光阑；分划板为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳距离lz>6mmhz物hz目hz分1）光阑在物镜的左侧10mm（ω=4.25°）：

正切计算法2）光阑在物镜上：

正切计算法3）光阑在物镜右侧10mm：

正切计算法三、望远镜系统光束限制的总结1、两光学系统联用时，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，且不小于6mm；4、分划板就是视场光阑。3、孔径光阑大致在物镜左右；

4、光阑位置对轴外光束位置的选择(1)(1)(2)(3)(3)(2)

第四节显微镜系统中的光束限制和分析

一、简单显微镜系统中的光束限制

1、显微镜系统的构成二、远心光路

1、孔径光阑在物镜上(a)测距原理：(b)调焦不准：2)由于调焦不精确，引起像平面和标尺平面不重合，从而导致测量误差。1)入瞳与物镜边框重合；2、孔径光阑在物镜的像方焦平面上1)入瞳位于物方无穷远。A和A1、B和B1的主光线分别重合，且轴外点的主光线平行于主轴。3)主光线是物点成像光束的中心轴，则物点A1B1在刻尺平面构成的两个弥散斑的中心间隔始终不变。——

物方远心光路

(a)测距原理：(b)调焦不准：三、场镜的应用

缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径必须非常大。

-1×透镜转像系统：加长光路。1、长光路显微镜系统

2、降低主光线，减小后续光路口径的办法-1×转像系统★场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。

★效果：主光线经场镜后通过-1×转像透镜中心，从而对后面系统的口径要求最小。场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。★实际设计：在-1×转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。场镜的应用四、显微镜系统光束选择的总结1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；4、长光路显微镜系统：利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，减小光学零件尺寸。2、一次实像面处安放视场光阑；3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上

——物方远心光路第五节光学系统的景深同一位置不同景深的效果一、光学系统的空间像1、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。对准平面景像平面共轭以入瞳中心为投影中心，以各空间点的主光线为投影方向，向对准平面投影，对应投影点在景象平面上的共轭点即为空间点的平面像。★平面上的空间像的获得：★对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。弥散斑的直径与入瞳直径、与景象平面的距离有关。或：在像空间以出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的主光线为投影方向，各空间像点向景象平面投影，可得空间点的平面像。2、透视失真——

投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。

3、景像畸变

二、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。

远景平面近景平面入瞳中心：物空间参数的起算原点出瞳中心：像空间参数的起算原点★对