工程光学与技术

工程光学与技术第一页，共六十六页，2022年，8月28日一、光阑及其分类1、光阑光学系统中可以限制光束的光学元件的边框，或者带孔的金属薄片通称为光阑。第二页，共六十六页，2022年，8月28日2、光阑的分类

光阑根据在光学系统中的作用不同主要有三类：

孔径光阑、视场光阑和消杂光光阑。第三页，共六十六页，2022年，8月28日光阑在光学系统中的作用：1、决定像面的照度。2、决定系统的视场。

3、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4、拦截系统中有害的杂散光。第四页，共六十六页，2022年，8月28日以普通照相机来说明光阑可变光阑底片第五页，共六十六页，2022年，8月28日§4-1孔径光阑和入瞳、出瞳一、孔径光阑、入瞳和出瞳定义：

光学系统中对于光轴上物点发出的光束起主要限制作用的光阑。第六页，共六十六页，2022年，8月28日孔径光阑与入瞳、出瞳之间的关系第七页，共六十六页，2022年，8月28日

通过入射光瞳中心的光线称为主光线由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。显然，主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴线。光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重要性能参数之一。它不但决定了像面的照度，而且还决定了光学系统分辨能力。

第八页，共六十六页，2022年，8月28日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

显微系统和投影系统的物镜常用nsinUmax表示，被称之为数值孔径，用NA表示，即

n—物方空间的介质折射率。

物方孔径角Umax越大，其数值孔径也越大。

进入系统的光能越多，理论分辨本领越高。第九页，共六十六页，2022年，8月28日望远系统和摄影系统常用相对孔径A来表示

D

—入瞳直径f’—物镜焦距

相对孔径A越大，表明能进入系统的光能也越多而照相机，则常用另一个术语—光阑指数，用F来表示，它是相对孔径的倒数，即F俗称光圈，相对孔径越大时，光圈数值愈小。

第十页，共六十六页，2022年，8月28日必须注意：1、光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的。2、如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限制。3、对于无限远的物体，光学系统的所有光孔被其前面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的一个光孔像就是系统的入瞳。第十一页，共六十六页，2022年，8月28日二、孔径光阑设置原则第十二页，共六十六页，2022年，8月28日例:与眼睛配合使用的目视仪器第十三页，共六十六页，2022年，8月28日光阑位置与光学零件重合第十四页，共六十六页，2022年，8月28日光阑位置与像方焦平面重合第十五页，共六十六页，2022年，8月28日在光学仪器中，很大一部分仪器用来测量长度。

一类仪器是光学系统有一定放大率，使被测物的像和标准刻尺相比，求被测物体的长度，如工具显微镜等计量仪器。另一类仪器是把一标尺放在不同的位置，光学系统改变放大率，使标尺的像等于一个已知值，来求仪器到标尺间距离，如大地测量仪器中的视距测量。物方远心光路和像方远心光路第十六页，共六十六页，2022年，8月28日在工具显微镜光学系统的实像平面上，放置已知刻度值的透明刻尺（称为分划板）分划板上刻尺的格值已考虑了物镜的放大率。

按此方法测量，刻尺与物镜之间的距离应保持不变，使物镜的放大率保持常数这种测量方法的测量精度在很大程度上取决于像平面与刻尺平面的重合程度。

分划板物镜yBAy’A’B’第十七页，共六十六页，2022年，8月28日由于入瞳在无限远处，物方主光线平行于光轴的光学系统，故称为物方远心光路。

在大多数的计量光学仪器中，其孔径光阑（或出瞳）常安置在显微镜物镜或投影物镜像方焦平面上以形成物方远心光路以提高观测精度。在光学仪器中常采用另一种光路→像方远心光路。它是孔径光阑（或入瞳）安置在整个光组的物方焦平面上形成的。第十八页，共六十六页，2022年，8月28日光阑位置与光学零件重合第十九页，共六十六页，2022年，8月28日光阑位置与物方焦平面重合第二十页，共六十六页，2022年，8月28日像方远心光路常用在大地测量仪器（光组为望远镜系统）中以提高测距精度。这种光路也常用在照明系统中，以使它与成像系统的物方远心光路相配合。第二十一页，共六十六页，2022年，8月28日利用像方远心光路测量距离第二十二页，共六十六页，2022年，8月28日三、场镜的应用第二十三页，共六十六页，2022年，8月28日§4-2视场光阑、入射窗、出射窗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。工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的大小。这种限制物体成像范围的光阑称为视场光阑。第二十四页，共六十六页，2022年，8月28日视场光阑与光窗第二十五页，共六十六页，2022年，8月28日与孔径光阑类似，视场光阑被其前面的光组在整个系统的物空间所成的像称为入射窗（简称入窗）。视场光阑被其后面的光组在整个系统的像空间所成的像称为出射窗（简称出窗）第二十六页，共六十六页，2022年，8月28日把孔径光阑以外的所有光孔通过其前面的光组成像，则在这些像中入射窗对入瞳中心的张角为最小。可找出系统中哪一个光孔是视场光阑。入射窗限制着物空间的成像范围。第二十七页，共六十六页，2022年，8月28日把除孔径光阑外的所有光孔通过其后面的光组在整个系统的像空间成像时，出射窗对出射光瞳中心的张角为最小。

出射窗限制了像方视场范围入射窗和出射窗共轭。

入射窗、视场光阑和出射窗在各自的空间对同一条主光线起限制作用，主光线和光轴间的夹角即表示整个光学系统的视场角。第二十八页，共六十六页，2022年，8月28日当物体在无限远时，常用视场角表示光学系统的视场，以2ω表示。当物体在有限距离时，常用物高表示视场，称为线视场，以2y表示。视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替。

第二十九页，共六十六页，2022年，8月28日渐晕现象以上只讨论了入射光瞳为无限小时的情况。实际上光学系统的入射光瞳总有一定的大小。在多数情况下，入射窗并不能完全决定光学系统的成像范围。第三十页，共六十六页，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十一页，共六十六页，2022年，8月28日在物面上按其成像光束孔径角的不同可分为三个区域：第一个区域是以B1A为半径的圆形区，其中每个点均以充满入射光瞳的全部光束成像。此区域之边缘点B1由入射光瞳下边缘P2和入射窗下边缘点M2的连线所确定。第三十二页，共六十六页，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十三页，共六十六页，2022年，8月28日第二个区域是以B1B2绕光轴旋转一周所形成的环形区域，在此区域内，每一点已不能用充满入瞳的光束成像，在含轴面内看光束，由B1点到B2点，其能通过入射光瞳的光束，由100%到50%渐变，这就是轴外点的渐晕现象。此区域的边缘点B2由入射光瞳中心P和入射窗下边缘M2的连线确定。第三十四页，共六十六页，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十五页，共六十六页，2022年，8月28日第三个区域是以B2B3绕光轴旋转一周所形成的环形区域，在此区域内各点的光束渐晕更为严重，由B2点到B3点，其渐晕系数由50%降低到0。B3点是可见视场最边缘点，它由入射光瞳上边缘点P1和入射窗下边缘点M2的连线所决定。第三十六页，共六十六页，2022年，8月28日A物平面B1B2B3M1M2M入射窗入射光瞳P1P2PP2P2P2PPP1P1P1第三十七页，共六十六页，2022年，8月28日以上三个区域只是大致的划分，实际上在物平面上，由B1到B3点的渐晕系数由100%到0是渐变的，并没有明显的界限。第三十八页，共六十六页，2022年，8月28日减少渐晕现象的方法第三十九页，共六十六页，2022年，8月28日入射光瞳具有一定大小时，没有渐晕的情况也是存在的。入射窗和物平面相重合。或者把视场光阑设置在像平面上。视场具有清晰的界限。

物平面入窗入瞳出瞳像平面视场光阑出窗第四十页，共六十六页，2022年，8月28日光学系统的视场大小用两种方法表示

线视场：对近距离成像的光组，常用能看到的物平面直径来表示。

视场角：对远距离或无限远物体成像的光组，常用角度来表示其视场的大小。这就是前面谈到过的物方视场角2ω和像方视场角2ω'。

第四十一页，共六十六页，2022年，8月28日综上所述，孔径光阑和视场光阑是光学系统中起重要作用的两种光阑，前者主要限制成像光束的孔径，即决定像的照度。后者决定视场，即物体被成像的范围。

切不可把孔径光阑和视场光阑混为一谈

第四十二页，共六十六页，2022年，8月28日§4-3光学系统的景深和焦深上节讨论在垂直于光轴的平面上点的成像问题。如：照相制版物镜和电影放映物镜实际上有很多光学仪器需要把空间中的物点成像在一个像平面上（称为平面上的空间像），如望远镜和照相物镜等就属于这一类。第四十三页，共六十六页，2022年，8月28日入瞳出瞳BB1abB01B2B3B4PP’AB04B03B02B2”B3”B4”B1”B4’B3’B2’A’B’a’b’B1’AB—对准平面A’B’—景像平面第四十四页，共六十六页，2022年，8月28日ab和a’

b’

的大小和入射光瞳的直径有关，入射光瞳直径减少，弥散斑也随之减少

物空间各空间点的成像，相当于以入射光瞳中心为投影中心，以主光线为投影线，将各点投影到对准平面上后，再成像到景象平面上。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投影到景象平面上，即是空间物点的平面像。

第四十五页，共六十六页，2022年，8月28日如果入瞳位置对于物方空间点（即景物）位置发生变化，则景象也随之变化。投影中心作前后移动时，投影像的变化和景物是不成比例的，这种现象称为景象畸变，也称为透视失真。对准平面AA’AA’P’PS1S2入射光瞳出射光瞳景像平面P第四十六页，共六十六页，2022年，8月28日根据理想光学系统特性，物空间一个平面，在像空间只有一个平面与之共轭。讨论:当入射光瞳一定时，在物空间有多大深度范围的物体能在景象平面上成清晰像(以摄影物镜为例）。第四十七页，共六十六页，2022年，8月28日任何光接收器都不能接受到真正的几何像点，且分辨本领也不一样，因此只要像的弥散斑足够小并能满足接受器的分辨本领，就可人为这个弥散斑是一个点一个光学系统是能对空间物体成一个清晰的平面像能在像平面上获得清晰像并沿光轴方向的物空间深度称为成像空间深度(景深)第四十八页，共六十六页，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’设在B1点和B2点之间的物空间各点均能在像平面A’成清晰像第四十九页，共六十六页，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’△l1=p1-p称为后景深；△l2=p-p2称为前景深总景深△l=△l1+△l2=p1-p2为前后景深之和第五十页，共六十六页，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’A为对准平面，其对应的是景像平面A’第五十一页，共六十六页，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’能成清晰像的最远平面（B1）称为远景能成清晰像的最近平面（B2）称为近景

第五十二页，共六十六页，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十三页，共六十六页，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十四页，共六十六页，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十五页，共六十六页，2022年，8月28日人在看图片时，一般是把图片放在眼前250mm处，被称为明视距离M△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十六页，共六十六页，2022年，8月28日若弥散斑在明视距离对眼睛的张角小于分辨角，看上去就是一点△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十七页，共六十六页，2022年，8月28日ε—人眼的分辨率△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十八页，共六十六页，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第五十九页，共六十六页，2022年，8月28日△l△l1△l2p2P

p1P’1P’P’2AB1B2z1z2P1P2DP1’P2’D’B2’A’B1’z2’z1’第六十页，共六十六页，2022年，8月28日前景深后景深△l△l1△l2p