光学系统中的光束限制.ppt

1、第5章 光学系统中的光束限制教学目标：教学目标：l牢固掌握孔径光阑的确定方法，掌握入瞳、牢固掌握孔径光阑的确定方法，掌握入瞳、出瞳概念。出瞳概念。l掌握视场光阑的确定方法，掌握入射窗和掌握视场光阑的确定方法，掌握入射窗和出射窗的概念。出射窗的概念。l理解渐晕的概念和成像范围。理解渐晕的概念和成像范围。l了解景深的概念和影响因素。了解景深的概念和影响因素。l了解物、像了解物、像方远心光路。方远心光路。5.1 5.1 光阑及其作用光阑及其作用l主要内容：主要内容：l光阑的概念光阑的概念l光阑的分类光阑的分类l光阑的位置光阑的位置5.1 5.1 光阑及其作用光阑及其作用一、光阑的概念一、光阑的概念l

2、通光孔径：限制进入光学系统中光束尺寸的光孔的内孔大小称为通光孔径。l光阑：透光孔，起限制光束的作用。孔径光阑二、光阑的分类二、光阑的分类二者至少二者至少有其一有其一 光光阑阑孔径光阑孔径光阑消杂光光阑消杂光光阑限制杂散光（视场外的光、金属表面、限制杂散光（视场外的光、金属表面、光学表面、镜筒内壁的反射散射光）光学表面、镜筒内壁的反射散射光）限制轴外成像光束宽度，改变轴外点限制轴外成像光束宽度，改变轴外点成像质量成像质量限制物空间能被光学系统成像的限制物空间能被光学系统成像的范围范围限制轴上物点成像光束立体角或平限制轴上物点成像光束立体角或平面光束孔径角的光阑面光束孔径角的光阑视场光阑视场光阑渐

3、晕光阑渐晕光阑所有光学系所有光学系统中都有统中都有减小横向尺减小横向尺寸，改善成寸，改善成像质量像质量三、光阑的位置三、光阑的位置1.1.孔径光阑：孔径光阑：位置随系统而异。目视光学系统目视光学系统，孔阑或孔阑的实像一定要在外面，眼睛能与之重合，以接受全部成像光束。远心光路远心光路，孔阑在焦平面上。其他光学系统其他光学系统，可以选择，以改善成像质量。注：光阑位置改变时，应改变光阑孔径，以保证轴上注：光阑位置改变时，应改变光阑孔径，以保证轴上点光束孔径角不变。点光束孔径角不变。2.2.视场光阑：视场光阑：视场光阑的位置是固定的，总是设在实像面或中间实像面上。如：照相机底片。如果系统没有这种实像面

4、则不存在视场光阑。形状可以是圆形的，如显微系统和望远系统；可以是方形的，如照相系统。物、像方线视场：物、像高的2倍线视场视场角：物方视场角 和像方视场角 。是物像方线视场上下边缘主光线之间的夹角。投影屏幕框像平面物平面透镜3.3.渐晕光阑渐晕光阑l定义：限制轴外成像光束宽度，改变轴外点成像质量。l渐晕：轴外物点发出的能通过孔径光阑和视场光阑的成像光束被部分拦截，这种现象称为渐晕。l作用：提高轴外物点成像质量（慧差），减小仪器体积。孔径光阑渐晕光阑视场光阑透镜渐晕光阑多为透镜框。在一些系统中，渐晕光阑多为透镜框。在一些系统中，允许有允许有一定渐晕一定渐晕改善成像质量，但改善成像质量，但像面上轴

5、外点像面上轴外点照度照度小于轴上点照度。小于轴上点照度。孔径光阑渐晕光阑视场光阑4.4.消杂散光光阑消杂散光光阑l定义：限制杂散光（视场外的光、金属表面、限制杂散光（视场外的光、金属表面、光学表面、镜筒内壁的反射散射光）。光学表面、镜筒内壁的反射散射光）。l杂散光成像到像面，增加像面亮背景，使像对比度下降。l把管壁加工成螺纹状并涂黑消杂光。孔径孔径光阑光阑渐晕光阑渐晕光阑视场光阑视场光阑消杂光消杂光光阑光阑5.2 5.2 孔径光阑孔径光阑主要内容：主要内容：l孔阑概念孔阑概念l孔径光阑的确定孔径光阑的确定l入瞳和出瞳入瞳和出瞳l入瞳的大小入瞳的大小5.25.2孔径光阑孔径光阑一、孔径光阑一、孔

6、径光阑l一个光学系统有若干个透光孔，一个光学系统有若干个透光孔，何为孔阑何为孔阑限制轴上物点成像光束立体角的光孔。限制轴上物点成像光束立体角的光孔。l错误观点1：光孔小的为孔阑l错误观点2：第一个光孔为孔阑孔径光阑孔径光阑渐晕光阑渐晕光阑视场光阑视场光阑透镜透镜二、孔径光阑的确定二、孔径光阑的确定l如何来确定一个光学系统中对给定物体 位置时的孔径光阑？孔径光阑透镜入瞳应使所有光孔处于同一空间应使所有光孔处于同一空间l注：注：光学系统的孔阑是对给定位置的物体而光学系统的孔阑是对给定位置的物体而言的。言的。如果物体位置发生变化，原来的孔阑如果物体位置发生变化，原来的孔阑失去作用，光束被其他光阑所限

7、制。失去作用，光束被其他光阑所限制。光学系统入瞳光学系统入瞳孔阑1.1.物体位置变了，孔阑可能会改变；物体位置变了，孔阑可能会改变；2.2.当当物体位置一定时，有一个光孔最物体位置一定时，有一个光孔最限制成像光束宽度限制成像光束宽度孔阑。孔阑。a、b、c为物空间的三个光孔l物体位于无限远时如何确定孔阑？物体位于无限远时如何确定孔阑？只需比较各光阑通过其前面光组在整个系统的只需比较各光阑通过其前面光组在整个系统的物空间成像的大小，以直径最小者为入瞳。物空间成像的大小，以直径最小者为入瞳。a、b、c为物空间的三个光孔入瞳光学系统三光阑系统中各光阑在物空间的像入瞳入射光瞳：入射光瞳：孔径光阑在物空间

8、的像，简称入瞳。光学系统光学系统物方孔径角：物方孔径角：孔径光阑在物空间的像所决定的对轴上物点A的张角2U。三、入瞳和出瞳三、入瞳和出瞳l出射光瞳出射光瞳：孔径光阑在像空间的像，简称出瞳l像方孔径角：像方孔径角：出瞳对像面中心A所张的角度最小，称为光学系统的像方孔径角2U。光学系统三光阑系统中各光阑在像空间的像出瞳孔阑通过入瞳中心的光线必通过孔阑中心，并必过出瞳中心。通过入瞳中心的光线必通过孔阑中心，并必过出瞳中心。通过入瞳边缘的光线必通过孔阑边缘，并必过出瞳边缘。通过入瞳边缘的光线必通过孔阑边缘，并必过出瞳边缘。物点与入瞳中心的连线称为主光线。物点与入瞳中心的连线称为主光线。主光线也通过孔阑

9、和出瞳中心。主光线也通过孔阑和出瞳中心。入瞳中心是所有主光线的交点。入瞳中心是所有主光线的交点。入瞳入瞳是物面上所有物点发出的光束的共同入口共同入口；出瞳出瞳是物面上各点发出光束经整个光学系统后从最后一个光孔出射的共同出口共同出口。入瞳入瞳出瞳出瞳整个光学系统共轭孔阑孔阑孔阑前光学系统共轭孔阑后光学系统共轭三、入瞳大小的确定三、入瞳大小的确定l入瞳大小是由光学系统对成像光能量的要求入瞳大小是由光学系统对成像光能量的要求或者对物体细节的分辨能力的要求确定的。或者对物体细节的分辨能力的要求确定的。l相对孔径：入瞳直径和焦距之比。表示入瞳大小。l在照相系统中，以光阑指数（F数，俗称光圈）来表示入瞳大

10、小，是相对孔径的倒数。l显微物镜的入瞳用数值孔径表示。例题例题1 1：有一个物镜焦距为 ，其框直径为 ，在它前面50mm处有一个光孔，直径 ，问物点在-500mm和-300mm时，是否都由同一光孔起孔径光阑的作用？相应的入瞳和出瞳的位置和大小如何？例题2：薄透镜焦距为 ，通光孔径为 ，在其后30mm处有圆形光孔直径物在1320mm处，求入瞳、孔径光阑、出瞳。5.35.3视场光阑、入射窗和出射窗视场光阑、入射窗和出射窗主要内容：主要内容：u如何确定视场光阑如何确定视场光阑u入射窗、出射窗概念，与视场光阑的关系入射窗、出射窗概念，与视场光阑的关系u渐晕概念、渐晕系数渐晕概念、渐晕系数一、视场光阑一

11、视场光阑l定义定义：限制光学系统成像范围的光阑。l规定规定：（1）在确定成像范围时，要找一个原点入射光瞳中心。（2）规定以轴外物点主光线主光线能否进入系统，即以主光线为边界确定光学系统的成像范围。v物面上能进入系统最边缘的各点发出的主光线与光轴的夹角决定了光学系统的成像范围。限制这些主光线的光孔就是视场光阑。v视场光阑的确定视场光阑的确定：把所有光孔被前面光组成像，以入瞳中心为原点，对这些光孔像张角以入瞳中心为原点，对这些光孔像张角，其中张角最小的是入射窗。与入射窗共轭的光孔就是视场光阑。孔径光阑透镜入瞳视场光阑（入射窗）物平面光学系统入瞳孔阑视场光阑二、入射窗、出射窗二、入射窗、出射窗l入

12、射窗：入射窗：视场光阑经其前面的光学系统所成的像称为入射窗，简称入窗。l出射窗：出射窗：视场光阑经其后面的光学系统所成的像称为出射窗，简称出窗。l视场的大小视场的大小：（1）视场角：物在无限远时习惯用视场角 物方视场角：入窗边缘两点主光线间的夹角。像方视场角：出窗边缘两点主光线间的夹角。（2）线视场：物在有限远习惯用线视场 入瞳（或出瞳）中心与入窗（或出窗）边缘连线和物面交点之间的线距离，称为线视场。孔径光阑透镜入瞳视场光阑（入射窗）物平面2y线视场入窗入窗出窗出窗整个光学系统共轭视场视场光阑光阑视场光阑前光学系统共轭视场光阑后光学系统共轭例题例题有一对称的照相物镜，两薄透镜间隔d=60mm，

13、透镜直径AB=CD=50mm，它们的焦距在两个透镜的中间有一个圆形光孔Q1Q2=30mm，在底片平面处有方形光阑p1p2为60mm60mm。它距离CD透镜45mm处。若物镜 对物体拍摄，求孔径光阑、视场光阑和物像方视场角。三、渐晕三、渐晕v注：以上讨论有一个前提：把孔径光阑看注：以上讨论有一个前提：把孔径光阑看成是无限小，认为轴外点发出的光束只有成是无限小，认为轴外点发出的光束只有一条主光线进入光学系统。即由入窗决定一条主光线进入光学系统。即由入窗决定的成像范围只适用于入瞳很小的情况。的成像范围只适用于入瞳很小的情况。v现在考虑：轴外物点以有限大小光束进入光学系统成像。入瞳入窗物平面第一个区域

14、以第一个区域：以ABAB1 1为半径的圆形区域为半径的圆形区域无渐晕，无渐晕，此此区域中的每个点均以充满入瞳的全部光束成像区域中的每个点均以充满入瞳的全部光束成像，像面照度均匀像面照度均匀。第二个区域：以第二个区域：以B B1 1B B2 2绕光轴旋转一周形成的环形绕光轴旋转一周形成的环形区域区域有渐晕有渐晕。此区域中的每个点已不能由充满入。此区域中的每个点已不能由充满入瞳的光束成像，由瞳的光束成像，由B1B1点到点到B2B2点，能通过入瞳的光点，能通过入瞳的光束由束由100%100%渐变到渐变到50%50%。渐晕：轴外点发出的充满入瞳的光，被入窗所拦截的现象。第三个区域：以第三个区域：以B

15、 B2 2B B3 3绕光轴旋转一周形成的环形绕光轴旋转一周形成的环形区域区域，此区域，此区域能通过入瞳的光束由能通过入瞳的光束由50%50%渐变到零，渐变到零，渐晕现象更严重。渐晕现象更严重。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？用什么来描述渐晕严重程度？渐晕的优点：提高像质，渐晕的优点：提高像质，减小横向尺寸。减小横向尺寸。渐晕的缺点：降低轴外点渐晕的缺点：降低轴外点像面照度，能量减少。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

16、以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。不存在渐晕。以上所有量均以入射光瞳中心为原点。以上所有量均以入射光瞳中心为原点。消除渐晕的方法：欲使渐晕区欲使渐晕区B1B3为零，需使为零，需使p=q，即入窗与物面重合，出窗与像面重合。，即入窗与物面重合，出窗与像面重合。入瞳入窗物平面5.4 5.4 光学系统的景深光学系统的景深l有些光学系统要求对整个或者部分空间的物点成像在一个像面上，如：照相机、望远镜。l为什么看照片时无立体感，远近都清楚？为什么看照片时无立体感，远近都清楚？l理论上，只有共轭的物平面才能在像平面上成清晰像，其他物点所成的像均为弥散斑。但当但当此斑对眼睛的张角小于眼睛

17、的最小分辨角此斑对眼睛的张角小于眼睛的最小分辨角11时，时，人眼看起来仍为一点。人眼看起来仍为一点。此时，该弥散斑可认为是空间点在平面上的像。一、光学系统的空间像一、光学系统的空间像平面像当入瞳有一定大小时，空间物发出的充满入瞳的光束在对准平面和景象平面上的投影均为一弥散斑。入瞳出瞳景像平面对准平面二、光学系统的景深景象平面上的弥散斑直径多大时才认为“像”是清晰的？这与接收器件的分辨率有关。以照相机为例：人眼最小分辨角为以照相机为例：人眼最小分辨角为1，如果弥散，如果弥散斑对人眼张角小于斑对人眼张角小于1，则认为照片是清晰的。，则认为照片是清晰的。当入瞳减小到使空间点在对准平面上的弥散斑变当入

18、瞳减小到使空间点在对准平面上的弥散斑变成一点时，在景象平面上可以对对准平面以外的成一点时，在景象平面上可以对对准平面以外的空间点成清晰像。空间点成清晰像。当当a1a2a1a2和和b1b2b1b2小到可以看成一点时，我们认为从小到可以看成一点时，我们认为从B1B1到到B2B2的空间深度范围内的物，都能在像平面上的空间深度范围内的物，都能在像平面上得到清晰像。这个空间深度叫景深。得到清晰像。这个空间深度叫景深。给出景象平面允许的弥散斑大小 景深入瞳出瞳镜像平面对准平面p2pp1PP1P2照片上图像各点对人眼张角和直接观察空间各点对眼睛张角相等。正确透视距离正确透视距离D。入瞳出瞳眼睛l结论：入瞳直

19、径越小，景深越大。拍照时，结论：入瞳直径越小，景深越大。拍照时，把光圈增大，可获得大空间深度的清晰像。把光圈增大，可获得大空间深度的清晰像。允许的弥散斑直径是多少呢？允许的弥散斑直径是多少呢？两种特殊情况两种特殊情况（1）景深为对准平面直到无限远的整个物空间,对准平面在何处？对准平面景象平面出瞳入瞳2结论：对准平面：结论：对准平面：p=2a/p=2a/，景深为自入瞳前，景深为自入瞳前a/a/的的平面到无限远整个物空间。平面到无限远整个物空间。结论：结论：景深为自入瞳前景深为自入瞳前2a/2a/距离处到无限远。距离处到无限远。总结：总结：把照相物镜调焦在无限远时，景深要小一些，把照相物镜调焦在无

20、限远时，景深要小一些，近景距离比前一种大一倍。近景距离比前一种大一倍。景象平面出瞳入瞳照相机镜头景深与哪些因素有关？与入瞳直径大小有关，即与F数有关。与允许的弥散斑直径大小有关即跟仪器的分辨率有关。与对准平面的位置有关（上面讨论的两种特殊情况）。5.5 5.5 远心光路远心光路(1)物面ABAB像ABAB，精确调焦时精确测量。(2)若调焦于ABAB后后，将在分划板上得弥散斑，测得长 度比ABAB略短。反之，若调焦于ABAB前，则略短。PPA1B1ABB1BA1B1分划板入瞳出瞳AB2A2B2像面与分划板不重合的现象视差。视差越大，测量误差也越大。怎样缩小影响？思想：控制主光线控制主光线使使B成

21、像光束的中心成像光束的中心与与B1成像光束的中心重合。成像光束的中心重合。方法：在光学系统的像方焦平面处放置孔径光在光学系统的像方焦平面处放置孔径光阑，使入瞳在无限远处，使物方主光线平行于光阑，使入瞳在无限远处，使物方主光线平行于光轴。轴。结果：在分划板上的弥散斑只是看来模糊些，在分划板上的弥散斑只是看来模糊些，无视差。无视差。F孔阑HH分划板A2A1AB2B1物方远心光路：光学系统的入瞳在物方无穷远光学系统的入瞳在物方无穷远处，所有轴外物点的主光线都与光轴平行。处，所有轴外物点的主光线都与光轴平行。二、像方远心光路二、像方远心光路 由于景深或者调焦误差的存在，使分划板平面由于景深或者调焦误差

22、的存在，使分划板平面与像面不重和引起误差。与像面不重和引起误差。PPA1B1A1B1分划板入瞳出瞳像面B1A1视差视差越大，测量误差也越大。怎样缩小影响？思想：控制主光线控制主光线使轴外点发出的主光线使轴外点发出的主光线不受调焦不准影响。不受调焦不准影响。方法：在光学系统的像方焦面处放置孔阑，使在光学系统的像方焦面处放置孔阑，使入瞳在无限远处，使物方主光线平行于光轴。入瞳在无限远处，使物方主光线平行于光轴。结果：在分划板上无视差。在分划板上无视差。像方远心光路：光学系统的入瞳在物方焦面上，光学系统的入瞳在物方焦面上，使出射光线平行于光轴，会聚于像方无限远。使出射光线平行于光轴，会聚于像方无限远。HHB1分划板入瞳像面ABF