第四章-光学系统中的光阑和光束限制.ppt

1,问题的提出： 利用作图法求像时，如果系统口径不够怎么办？,,,,,,,,,,,,,,,,光学零件的口径与两个因素相关： 成像光束的大小 成像光束的位置,2,,第四章 光学系统中的光阑和 光束限制,照相系统的光阑,望远镜系统中成像光束的选择,显微镜系统中的光束限制与分析,光学系统的景深,实际光学系统不是理想光学系统，光学元件的尺寸是有限度的，必须适当选择参与成像的光束大小和位置，以保证成像质量光阑,3,,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；,4,5,二、孔径光阑,孔径光阑：限制轴上物点成像光束宽度、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宽度的限制（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。

6,,图4-2 孔径光阑对轴上物点光束的限制,限制轴上物点成像光束宽度,7,孔径光阑在光组中的位置也不同，则限制成像光束方式的不同透镜框为孔径光阑,1为孔径光阑,8,,2为孔径光阑,,9,图4-3 孔径光阑位置对轴外点成像光束的选择,B,C,10,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或透镜组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或透镜组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）,11,图4-4 入瞳与出瞳,,,,主光线,12,,,,,,入瞳,孔径光阑（出瞳）,,13,4、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A,B,Umax,入瞳,,14,三、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：限制物平面上或物空间中成像范围的光阑,15,图4-6 入射窗与出射窗,,16,某一光组，当其孔径光阑（入瞳或出瞳）确定后，可由下述方法确定视场光阑： (1) 先用计算法或作图法求出每一光阑被它前面光组所成的像2) 再由入瞳中心向各光阑在物空间所成像的边缘引光线，找出其中对入瞳中心张角最小的那个光阑像，与此张角最小的光阑像对应的那个光阑即为视场光阑D1,D1,D2,D2,D3,D3,孔径光阑,入瞳,视场光阑,1,2,3,17,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,18,图4-9a 可变光阑对成像光束的影响,,19,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,,20,,D,,D,图4-11 轴外光束的渐晕,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：由于轴外点发出的充满入瞳 的光束被光学系统中的其他光孔或框所遮拦，造成轴外点实际成像光束宽度小于轴上点光束宽度，像平面边缘部分比像中心暗的现象。

21,照相光学系统小结：,可变光阑为系统的孔径光阑，为保证轴外光束的像质 孔径光阑设在照相物镜的某个空气间隔中 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,22,4.3 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;,23,图4-12 双目望远镜系统,视角放大率：=6X 视场角：2=830 出瞳直径：D=5mm 出瞳距离：lz11mm 物镜焦距：f物=108mm 目镜焦距：f目=18mm,,24,图4-13 望远镜系统简化图,25,出瞳直径：,视场角：,入瞳直径：,若孔径光阑在（2）位置上，分划板上一次实像像高：,分划板框限制了系统视场因此分划板框为视场光阑为满足出瞳在目镜之外的要求，孔径光阑必须放在分划板的左侧孔径光阑放在以下三种位置： （1）物镜左侧10mm; (2) 物镜上； (3)物镜右侧10mm.,26,表4-1 通光口径,,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。

27,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，为系统中各个光学零件所必需的最小口径2、一般情况下把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28,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 望远镜的物镜框是系统的孔径光阑 分划板框是望远系统的视场光阑目镜是渐晕光阑， 其大小影响轴外点成像的渐晕系数29,,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？,,,,,,,,max,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C,D,B,,,,,,,,f物,f目,,30,,31,4.4 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；,32,显微镜的成像原理：,物体对人眼的张角,教材P31--P32,33,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，,34,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,35,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36,像方远心光路,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，以消除像平面与标尺面不重合而造成的测量误差，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37,例2 若有一生物显微镜，其目镜的焦距为 物镜的垂轴放大率 ，显微镜物镜的物平面到像平面的距离为180mm，求： （1）物镜的焦距； （2）在满足物方孔径角 条件时物镜的通光口径； （3）出瞳距和出瞳大小； （4）当不发生渐晕现象、以及渐晕系数K=0.5和 K=0时，应选择多大的目镜通光口径？,38,,代入,（1）,（2）物镜为显微镜的孔径光阑,（3）,,39,（4）设B点主光线在目镜上的投射高度为,40,三、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41,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，目镜是渐晕光阑 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,42,例3 如果要求例1系统的出瞳离开目镜的距离为15 mm，求在物镜焦面上加入的场镜焦距物镜经过场镜成像、再经过目镜成像，与出瞳位置重合先求出瞳经目镜成像的共轭物的位置物镜经过场镜成像，,场镜焦距为54mm.,43,4.5 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44,图4-16 光学系统的空间像,景象平面,对准平面,ab或 ab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ab也可看作一个点,,45,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,46,景像畸变,,,,,47,二、光学系统的景深,概念：（图4-18）,景深：能在景象平面上获得清晰像的空间深度,远景深度1 ：远景平面与对准平面的距离 近景深度2 ：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,48,图4-18 景深概念,远景平面,,近景平面,,,,P2,,P1,49,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 =2a,,z2 =2a,,50,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,,51,正确透视的条件： 景象平面上像y对眼睛的张角应与物空间的共轭物y对入射光瞳中心p的张角相等即,tg=,= tg=,对应于对准平面上弥散斑的允许值为：,z = z1 = z2 = D =p,景像平面上或照片上弥散斑直径的允许值为：,z = z1 = z2= p,,52,=1+2=,可推出远景深度1和近景深度2分别为：,总的成像深度即景深为：,由此可知，入射光瞳的直径越小，景深越大因此在拍照片时，把光圈缩小可以获得大的空间的清晰像53,,,,54,例4-2 教材P72-73,例4-3 教材73,55,本章重点:,,1、光阑作用及分类 2、入射光瞳、出射光瞳、入射窗和出射窗 3、远心光路 4、景深及其计算公式,。