第四章光学系统中的光阑和光束限制

第四章光学系统中的光阑和光束限制第一页，共四十五页，编辑于2023年，星期五一、光阑光阑：限制成像光束的光孔，或者是限制成像范围的光孔或金属框,可分为孔径光阑和视场光阑。§4.1光阑L：照相镜头A：可变光阑B：感光底片图4-1照相系统简图光阑在光学系统中的作用：决定能通过光学系统的光束；决定系统的视场；限制光束中偏离理想位置最大的一些光线，以改善成像质量；拦截系统中有害杂散光；第二页，共四十五页，编辑于2023年，星期五二、孔径光阑孔径光阑：限制轴物点成像光束宽度、并有选择轴外 物点成像光束位置作用的光阑1、定义(2)孔径光阑对轴外点成像光束的选择（图4-3）2、孔径光阑的位置对选择光束的作用(1)孔径光阑对轴上点光束的限制（图4-2）可以是系统中某个透镜的镜框，也可以是专门设置的光阑。第三页，共四十五页，编辑于2023年，星期五-uu’-uu’-uu’-uu’图4-2孔径光阑对轴上物点光束的限制第四页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-3孔径光阑位置对轴外点成像光束的选择AABC第五页，共四十五页，编辑于2023年，星期五入射光瞳（简称入瞳）：入射光线的入口。

孔径光阑经其前面的透镜在光学系统物空间所成的像。出射光瞳（简称出瞳）：出射光线的出口。

孔径光阑经其后面的透镜在光学系统像空间所成的像。主光线：

通过入瞳中心的光线。

主光线（或其延长线）必须通过入瞳、孔径光阑、出瞳的中心。3、入射光瞳和出射光瞳（图4-4）第六页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-4入瞳与出瞳主光线第七页，共四十五页，编辑于2023年，星期五入瞳孔径光阑（出瞳）第八页，共四十五页，编辑于2023年，星期五4、孔径光阑位置及安放原则孔径光阑的安置通常和物镜镜框重合或在物镜附近，这可使同样孔径角的情况下，物镜的尺寸较小。ABUmax入瞳BAUmax入瞳ABUmax入瞳第九页，共四十五页，编辑于2023年，星期五三、视场光阑及入射窗、出射窗（图4-6）入射窗：视场光阑经其前面的光组在物空间所成的像出射窗：视场光阑经其后面的光组在像空间所成的像视场角：轴外点主光线与光轴间的夹角。

物方视场角：在物空间，入射窗边缘对入瞳中心所张的角度。

像方视场角：在像空间，出射窗边缘对出瞳中心所张的角度。能清晰成像的物面范围称为光学系统的物方视场，相应的像面范围称为像方视场。视场光阑：限制成像范围的光阑第十页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-6入射窗与出射窗第十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-7照相系统简图L：照相镜头A：可变光阑B：感光底片§4.2照相系统中的光阑第十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-8孔径光阑对轴上点光束的限制第十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-9a可变光阑对成像光束的影响第十四页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-10孔径光阑对轴外点光束的限制a)b)光阑处于A’位置时所需的透镜口径要比处于A位置的透镜口径大第十五页，共四十五页，编辑于2023年，星期五DDω图4-11轴外光束的渐晕K=Dw/D渐晕光阑渐晕系数：斜光束在子午面内光束宽度与轴上点光束的口径之比：渐晕：由于轴外斜光束宽度小于轴上点光束宽度，而引起像平面边缘部分比像中心暗的现象第十六页，共四十五页，编辑于2023年，星期五照相光学系统小结：

根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置。在有渐晕的情形下，轴外点光束的宽度不仅由孔径光阑的口径决定，而且与渐晕光阑的口径有关。在照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。孔径光阑的形状一般为圆形，视场光阑的形状为圆形或矩形。首页第十七页，共四十五页，编辑于2023年，星期五§4.3望远镜系统中成像光束的选择一、望远镜系统的基本结构：（图4-7）二、望远镜系统中的光束限制：光瞳衔接原则：（图4-8）前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合2.孔径光阑在不同位置处的计算

（1）物镜左侧10mm；（2）物镜上；（3）物镜右侧10mm;第十八页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-12双目望远镜系统视角放大率：Г=6X视场角：2ω=8º30´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第十九页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-13望远镜系统简化图第二十页，共四十五页，编辑于2023年，星期五结构特点：第一个光组的像方焦点F1’与第二个光组的物方焦点F2重合，（Φ=0，无焦系统）

f1’＞f2’垂轴放大率望远系统的垂轴放大率与物体所处位置无关第二十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期五表4-1通光口径阑位D物D棱D分D目l’z(1)31.531.5>D棱>161623.520.5(2)3030>D棱>161623.721(3)31.631.6>D棱>16162421.3在第二种位置时，即将物镜框作为系统的孔径光阑，物镜口径最小。第二十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期五选择望远镜系统成像光束位置的基本原则：1、首先根据系统光学特性（D/f’、f’）的要求，对轴上点边缘光线进行光路计算，从而确定轴上点边缘光线在系统中每个光学零件或光澜上的口径，这些轴向光束口径是为保证光学系统的光学特性，系统中各个光学零件所必需的最小口径。2、一般情况下，使轴外光束的主光线，通过轴向光束口径最大的光学零件或光澜的中心，即一般情况下轴向光束口径最大的孔或框作为孔径光澜。根据这一原则望远镜系统中通常把孔径光澜选在物镜框上。轴外点成像光束位置确定后，计算边缘视场上、下边缘光线，以确定各个光学零件的实际通光口径第二十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期五望远镜光学系统小结：

两个光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则。目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm。望远镜系统的孔径光阑在物镜左右，尽量减小光学零件的尺寸和体积。分划板框是望远系统的视场光阑。第二十四页，共四十五页，编辑于2023年，星期五[例1]

6×双目望远镜系统中，物镜焦距为108mm，物镜口径为30mm，目镜口径为20mm，如果系统中没有视场光澜，问该望远镜最大极限视场角等于多少？渐晕系数K=0.5时的视场角等于多少？

ωmax极限视场角是刚刚能进入系统一条光线时所对应的视场角。CDB’f’物f’目第二十五页，共四十五页，编辑于2023年，星期五§4.4显微镜系统中的光束限制与分析一、简单显微镜系统中的光束限制：（图4-11）二、远心光路：

1.显微镜的测长原理：2.孔径光阑的位置对测量误差的影响：（图4-12)3.物方远心光路及其特点：入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行于光轴；第二十六页，共四十五页，编辑于2023年，星期五--y-L21'''fLftgtgD-==Gωω

显微镜的成像原理：

物体对人眼的张角AA’B’y’F2F’1△

-y物镜目镜教材P31--P32第二十七页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-14显微镜系统光路一般观察显微镜中，显微物镜上的轴向光束口径最大，通 常把孔径光澜选在物镜框上第二十八页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-15远心光路测量显微镜中，当孔径光阑位于物镜像方焦平面时，可以矫正由于调焦不准而带来的测量误差物方远心光路：入瞳位于物方无限远，轴外点的主光线平行于光轴第二十九页，共四十五页，编辑于2023年，星期五B1’B2A2B1B2’物方远心光路由于入瞳在无限远，物方主光线平行于光轴，故称之为物方远心光路，它可以消除因调焦不准而引起的误差，从而提高了测量精度。A1B2B1M1M2孔径光阑F’第三十页，共四十五页，编辑于2023年，星期五像方远心光路B2M2M1B2’B1’B1孔径光阑（入瞳）F出瞳位于像方无限远处，平行于光轴的像方主光线在无限远处会聚于出瞳中心，此光路称为像方远心光路。常用在大地测量仪器中，以提高测距精度；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。第三十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期五三、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。作用：压低光线，减小后续光路的通光口径在一些连续成像的组合系统中经常采用场镜。当两个系统组合在一起成像时，为了使前一个系统出射光线都能进入后一个系统，而又不使后一个系统的通光口径过大，就需在中间像平面上加入一个场镜。第三十二页，共四十五页，编辑于2023年，星期五显微镜光学系统小结：

一般显微镜系统，孔径光阑置于显微物镜上，视场光阑置于一次实像面处。

显微系统用于测长时，孔径光阑置于显微物镜的像方焦平面处，以消除测量误差。

在长光路系统中，常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。首页第三十三页，共四十五页，编辑于2023年，星期五§4.5光学系统的景深一、光学系统的空间像：1.空间中的物点成像：(图4-16)2.光瞳对成像的影响：透视失真3.视场对成像的影响：景象畸变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、照相物镜物方空间点在平面上成像：以入射光瞳中心点为透视中心，以主光线为投影线，使空间点投影在对准平面上，则投影点在景像平面上的共轭点便是空间的平面像。第三十四页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-16光学系统的空间像景象平面对准平面ab或a’b’的大小与入射光瞳的直径有关，当入射光瞳直径小到一定程度时，弥散斑ab可看作一个点，其共轭像a’b’也可看作一个点第三十五页，共四十五页，编辑于2023年，星期五对准平面入射光瞳出射光瞳景像平面S1S2S1’S2’APP’A’对准平面入射光瞳出射光瞳景像平面S1S2S1’(S2’)APP’A’透视失真移动入射光瞳的位置投影中心前后移动，投影像的变化和景物不成比例第三十六页，共四十五页，编辑于2023年，星期五景像畸变入射光瞳出射光瞳PP’-ω2-ω

1-ω’2-ω’1第三十七页，共四十五页，编辑于2023年，星期五二、光学系统的景深概念：（图4-18）景深Δ：能在景象平面上获得清晰像的空间深度远景深度Δ1

：远景平面与对准平面的距离近景深度Δ2：近景平面与远景平面的距离正确透视的条件：

照片上的各像点对眼睛的张角与直接观察该空间物体时各对应点对眼睛的张角相等。（图4-19）2.景深第三十八页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-18景深概念远景平面近景平面P2’P1’第三十九页，共四十五页，编辑于2023年，星期五z1、z1’---B1在对准平面和景象平面上弥散斑的直径z2、z2’---B2在对准平面和景象平面上弥散斑的直径由此可见，景象平面上的弥散斑大小除与入射光瞳直径有关外，还与距离p，p1，p2有关z1’=2βa

z2’=2βa

第四十页，共四十五页，编辑于2023年，星期五图4-19正确透视正确透视的条件：照片上的各像点对眼睛的张角与直接观察该空间物体时各对应点对眼睛的张角相等。正确透视距离第四十一页，共四十五页，编辑于2023年，星期五正确透视的条件：

景象平面上像y’对眼睛的张角ω’应与物空间的共轭物y对入射光瞳中心p的张角ω相等。即tgω==tgω’=对应于对准平面上弥散斑的允许值为：z’=z1’=z2’=Dε=βpε景像平面上或照片上弥散斑直径的允许值为：z=z1=z2=pε第四十二