05 第5章 光学系统中的光束限制.pptx

第1页：第5章光学系统中的光束限制目录

第5章 光学系统中的光束限制

• §5-1 孔径光阑、入瞳和出瞳
• §5-2 视场光阑、入窗和出窗
• §5-3 渐晕光阑及场镜的应用
• §5-4 光学系统的景深和焦深
• §5-5 远心光路

第2页：孔径光阑的定义

§5.1 孔径光阑、入瞳和出瞳

1. 孔径光阑：限制成像光束立体角的光阑，即限制进入光学系统成像光束口径的光阑。

• 轴上点：近距离物体，由物方孔径角 U 表征；
• ∞ 物体，由光束的投射高度 h 表征。

第3页：孔径光阑对轴上点光束的限制

（1）孔径光阑对轴上点光束的限制

图中标注物点 A、像点 A′ 与孔径光阑的位置：孔径光阑决定了由轴上物点发出、能通过系统的光束的最大孔径角，从而决定像面照度。

第4页：孔径光阑对轴外点光束的限制

图中给出两组光路：（a）物点有限远；（b）物点无限远。两种情形下孔径光阑分别对轴外物点发出的光束起限制作用，被限制的光束以主光线为中心。

（2）孔径光阑对轴外点光束的限制

第5页：入瞳、出瞳与主光线

2. 入瞳和出瞳

入射光瞳（入瞳）

孔径光阑经其前面的光组在光学系统物空间所成的像，是入射光束的入口。

出射光瞳（出瞳）

孔径光阑经其后面的光组在光学系统像空间所成的像，是出射光束的出口。

主光线

由轴外一物点发出并通过入瞳中心的光线叫主光线。

孔径光阑、入瞳、出瞳三者之间互为共轭关系。

第6页：入瞳与出瞳的成像关系

本页源文件仅提取到页码，未获取到可辨识文字，内容为孔径光阑经前、后光组成像为入瞳与出瞳的光路图示，建议对照原课件图片补充本页说明。

第7页：孔径光阑的判定方法

3. 孔径光阑、入瞳和出瞳的判定方法

将光学系统中各光孔分别对前面（后面）的光组成像到物（像）空间，比较各像对物点（像点）的张角，其中张角最小者对应的光孔即为孔径光阑。

第8页：孔径光阑的相对性

可见，光学系统的孔径光阑是对一定位置的物体而言的；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光作用，光束会被其它光孔所限制。

第9页：孔径光阑设置原则（目视仪器）

4. 孔径光阑的设置原则

（1）对目视仪器，人眼瞳孔起着限制光束的作用。因此，应确保光学系统的出瞳和人眼瞳孔在位置上重合，大小也应匹配合适。

第10页：孔径光阑设置原则（远心光路）

• （2）入瞳和光学零件重合时，零件口径最小；越远离光学零件，则零件尺寸越大。
• （3）远心光路：孔径光阑置于焦平面上。

在测量物体大小的显微镜中，把孔径光阑置于光学系统的像方焦平面上，以消除由于物平面位置不准确所引起的测量误差；在测量物体距离的大地测量仪器中，常把孔径光阑置于光学系统的物方焦平面上，以消除由于调焦不准（像平面和标尺分划刻线面不重合）而造成的测量误差。

第11页：视场光阑的定义

视场光阑——限制系统成像范围的光阑，即限制物平面或物空间能被系统成像的最大范围的光阑，它决定了光学系统的视场。

§5.2 视场光阑、入窗和出窗

第12页：入窗与出窗

2. 入窗和出窗

入射窗（入窗）

视场光阑经其前面的光组在光学系统物空间所成的像。

出射窗（出窗）

视场光阑经其后面的光组在光学系统像空间所成的像。

视场光阑、入窗、出窗三者之间也互为共轭关系。

第13页：视场的表示

视场：2ω、2ω′（∞ 物体）；2y、2y′（有限距离物体）。

视场光阑为矩形时，2y′ 应为其对角线长度。

第14页：视场光阑的判定方法

视场光阑、入窗和出窗的判定方法　判断原则：

将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对其前（后）面的光学系统成像到系统的物（像）空间去，并根据各像的位置及大小求出它们对入（出）瞳中心的张角，其中张角最小者为入窗（出窗），入窗（出窗）对应的物即为视场光阑。

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15页：视场光阑判定图

本页源文件仅提取到页码，未获取到可辨识文字，内容应为各通光孔对入瞳中心张角的比较图示，建议对照原课件图片补充本页说明。

第16页：孔径光阑与视场光阑的区别

孔径光阑和视场光阑的区别：

• 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，但二者所起作用不同：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。
• 孔径光阑是对一定位置的物体而言的，而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17页：视场光阑的设置原则

视场光阑的位置是固定的，其设置原则：

• 尽量使入窗与物面重合，或像平面与出窗重合——不产生渐晕的必要条件。
• 视场光阑总是设置在系统的物面、实像平面或中间实像平面上。如显微镜、望远镜、照相机等都安置在像面上，投影仪、放映机则位于物面上，视场光阑的大小分别为像面大小或是物面大小；个别仪器除外（如放大镜和伽利略望远镜等）。

第18页：视场光阑位置实例

本页以图示方式对比不同仪器中视场光阑的安置位置：照相机、显微镜与望远镜的视场光阑安置在像面上，书写式投影仪的视场光阑位于物面上；具体图示请对照原课件图片查看。

第19页：§5.3渐晕光阑及场镜的应用

5.3 渐晕光阑及场镜的应用

轴外光束的渐晕

第20页：渐晕现象的产生

• 由轴外物点发出的充满入瞳的光束中部分光线被其他光孔阻挡的现象叫轴外光束的渐晕，即轴上与轴外物点成像光束大小不同的现象。
• 视场光阑与物面和像面均不重合——视场产生渐晕。
• 轴外物点的成像光线因逐渐减弱而没有清晰的视场边界。

第21页：入窗与物平面不重合产生的渐晕

本页图示入窗和物平面不重合时产生的渐晕：轴外物点的光束被部分拦截，轴上与轴外成像光束大小不同。

1、渐晕的概念及渐晕系数

第22页：渐晕的概念与渐晕光阑

1、渐晕的概念及渐晕系数

1. 轴外光束的渐晕

轴上与轴外物点成像光束大小不同的现象：轴外点＜轴上点。

2. 渐晕光阑

物空间发出的、本来能通过孔径光阑与视场光阑的成像光束，由于该光阑的存在只能部分通过，这种起拦光作用的光阑称为渐晕光阑。

第23页：线渐晕系数与面渐晕系数

3. 线渐晕系数 KD

轴外物点通过系统的光束直径 Dω 与轴上物点通过系统的光束直径 D0 之比，即 KD = Dω/D0。

4. 面渐晕系数 KS

轴外物点通过系统的光束面积 Sω 与轴上物点通过系统的光束面积 S0 之比，即 KS = Sω/S0。

在入瞳面上度量：D0、S0 分别是入瞳直径 D 和入瞳面积 S。

消除渐晕：入窗与物平面重合，出窗与像平面重合。

第24页：消杂光光阑

5. 消杂光光阑——只对那些从视场外射入系统的光能和由镜头内部的光学表面、金属表面及镜座内壁的反射和散射所产生的杂散光起部分限制作用，用以限制非成像光束。杂光背景会破坏像的对比度和清晰度。

第25页：各种光阑在光学系统中的作用

各种光阑在光学系统中的作用：

• （1）孔径光阑：决定像面的照度；
• （2）视场光阑：决定系统的视场；
• （3）渐晕光阑：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）消杂光光阑：拦截系统中有害的杂散光。

第26页：渐晕光阑与视场光阑的区别

渐晕光阑和视场光阑都是限制成像范围的，但应注意区别二者的不同：

• （1）实像面上限制成像范围的光孔才是视场光阑，其他起拦光作用的是渐晕光阑；
• （2）有视场光阑时视场光阑限制成像范围、视场有清晰的边界；没有视场光阑的系统必有渐晕光阑，它限制成像范围但没有清晰的边界；
• （3）渐晕光阑不是光学系统必需的，可以人为设置，系统中可以没有，也可以有多个，一般一个系统可以有 0～2 个渐晕光阑；渐晕光阑使边缘视场一部分光被拦，照度下降。

第27页：场镜的应用

2、场镜的应用

• 在物镜一次实像面处加一透镜，以降低主光线在其后面系统的投射高度。
• 场镜改变成像光束的位置，对系统特性、方向无影响。
• 减小光学零件的口径。

第28页：光学系统的空间像

§5.4 光学系统的景深和焦深

一、光学系统的空间像

平面上的空间像（空间物点成像在一个像平面上）——望远镜、照相物镜。

说明：源文件本页节号写作「§5.5」，与本章目录的「§5-4 光学系统的景深和焦深」不一致，此处按目录归入 §5.4，原课件编号差异已单独标注。

第29页：空间点平面像的取得

空间点的平面像的取得：以入瞳中心为投影中心（透视中心），将空间各点沿主光线方向向对准平面上投影，则各投影点在景像平面上的共轭点即空间点的平面像。

第30页：弥散斑与清晰像

所有对准平面以外的空间点，在对准平面上形成弥散斑、在景像平面上也形成弥散斑。弥散斑的大小和入瞳直径有关：当入瞳小到一定程度，两个弥散斑均可看作点，从而在景像平面上得到对准平面以外空间点的清晰像。

第31页：光学系统的景深

二、光学系统的景深

景深指在景像平面上能获得清晰像的物空间深度，是光束受限引出的概念，与入瞳直径、对准距离和允许弥散斑大小有关。

第32页：景深与远景、近景深度

景深 Δ

入瞳一定时，在景像平面上获得清晰像的空间深度。

远景深度 Δ1

对准平面到能成清晰像的最远平面（远景平面）的距离。

近景深度 Δ2

对准平面到能成清晰像的最近平面（近景平面）的距离。

Δ = Δ1 + Δ2

第33页：照相物镜的景深简化

对照相物镜，p≫f，故 p ≈ x。

即对准距离远大于焦距时，可用物距直接代替以物方焦点为原点的距离进行景深估算。

第34页：光学系统的焦深

三、光学系统的焦深

焦深

一个平面物体对应一定深度的清晰像空间，也是由于光束受限所引出的概念。

z′ 确定时，Δ′ 与 D′ 及理想像面的位置 l′ 有关。

第35页：焦深的光路图

图中标注像方截距 l′，用以说明像面前后一定范围内仍能成清晰像的焦深关系；本页源文件未提取到更多文字，建议对照原课件图片查看。

第36页：物方远心光路

四、远心光路

1、物方远心光路——测量长度的显微镜：测像大小，求物大小。把孔径光阑置于光学系统的像方焦平面上，使物方主光线平行于光轴，从而消除由于物平面位置不准确所引起的测量误差。

第37页：像方远心光路

2、像方远心光路——大地测量仪器：把孔径光阑置于光学系统的物方焦平面上，使像方主光线平行于光轴，从而消除由于像平面与标尺分划刻线面不重合而造成的测量误差。