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1、第一节 光阑,第二节 照相系统的光阑,第三节 望远镜系统中成像光束的选择,第四节 显微镜系统中的光束限制与分析,第五节 光学系统的景深,第四章 光学系统中的光阑(Stops),因为每个光学零件都有一定的大小，能够进入系统成像的光束总有一定限制的。决定每个光学零件尺寸的就是系统中成像光束的位置和大小。,光学系统除了物象共轭，成像放大率要求外，还要有一定成像范围的要求。,因为像平面上要有一定的光能和反映物面细节的能力(分辨率，由衍射理论知与孔径成正比的)。,光阑及其作用,1. 作用,限制成像光束的孔径角，成像的范围，当然也就限制了 进光量的多少，像的亮度；就限制了成像的大小了。,通光孔径,例：在光
2、学系统中，装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制光束的光孔。,而仅仅靠他们来限制光束不远远不够的，还需要特意设置 限制光束的装置的。,2. 光阑,带孔的金属薄片。通常形状是圆的，其中心和光轴 重合，其平面与光轴垂直。,光阑,光阑的分类,1. 孔径光阑,它是限制轴上物点成像光束立体角的。,在有些光学系统中是有特定要求的。,它决定轴上点发出的平面光束的孔径角。,M1,N1,光阑,(1) 在目视光学系统中，光阑或者光阑的像一定要 在光学系统的外边，使眼睛的瞳孔可以与之重 合，以达到良好的观察效果。,例：,(2) 在计量光学系统中，为了达到精确的测量，光阑常放在物镜的焦平面上。形成“远心光路”。
3、,除此以外，光学系统中的光阑位置是可以任意选择的，但是， 合理的选择光阑的位置可以改善轴外点的成像质量。,1,2,M1,M2,N1,N2,光阑,当光阑位置改变时，应相应的改变其大小，以保证轴上点 光束的孔径角不变,合理选择光阑的位置，在保证成像质量的前提下，可以使 整个光学系统的尺寸减少，系统的结构均称。,1,2,M1,M2,N1,N2,光阑,2. 视场光阑,它是决定物平面上或物空间中成像范围的光阑。,以上的两种光阑是光学系统系统中最重要的光阑，任何系统 都有这两种光阑的 。,3. 消杂光光阑,(3) 该光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制那些从 非成像物体射来的光，例如：各反射面反射的光
4、，仪器内壁反射的光等。,(1) 杂光,(2) 其危害：使像面产生明亮的背景，降低像的衬度,非成像的光，来自反射面反射的光，仪器内壁反射的光等。,(4) 当然也只是一些重要的光学系统，专门设置消杂光光阑的，且可以有几个的。例如：天文望远镜，长焦距平行光管等。,(5) 一般的系统仅仅使用其镜管内壁加工成内螺纹，并涂以 黑色无光漆或者煮黑来达到消杂光的目的。,分划板,消杂光光阑,物镜,第一节 光阑,1、孔径光阑的定义和作用,一、孔径光阑 (Aperture Stops), 含义1：限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。,限制成像光束和成像范围, 含义2：孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像光
5、束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成像光束的孔径角不变。,含义3：孔径光阑的位置不同，则对应于选择轴外物点发出光束的不同部分参与成像。, 孔径光阑的定义： 1）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）； 2）选择轴外物点成像光束的位置。,2、入射光瞳与出射光瞳(Entrance and Exit pupils), Pupils： The image of the Aperture Stops,入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间） 出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）,照相机镜头中的孔径光阑,孔径光阑,孔径光阑,物像关系, 孔径光阑、入瞳与
6、出瞳,出瞳,入瞳,孔径 光阑,1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。,2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。,3）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了入瞳、出瞳；三者互为物像关系。,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,(1) 轴上物点的位置发生变化，孔径光阑也会变化。,(2)几个口径一定的透镜组合，判断确定的轴上物点位置的孔径光阑： 追迹光线法：过轴上物点的任一条近轴光线，求其在每个折射面的投射高度与实际口径的比值，比值最大的折射面的边框为透镜组的孔径光阑。,将光学系统中所有光学零件的通光孔，分别通过其前面 的光学零件成像到整个系统的物空间去，入射光瞳必然 是其中对物平面中心的
7、张角为最小的一个。,入射光瞳的特性,入射光瞳,入射光瞳必定是对物面中心的张角最小的一个,孔径光阑,-U,出射光瞳的特性,出射光瞳,出射光瞳必定是对像面中心的张角最小的一个,孔径光阑,将光学系统中所有光学零件的通光孔，分别通过其后面的 光学零件成像到整个系统的像空间去，则出射光瞳必然是 其中对像平面中心的张角为最小的一个。, 成像张角比较法：,例1：已知物点A离透镜1的距离为-l1=30mm，透镜1的通光口径D1=30mm,光孔2的直径D2=22mm，像点A离透镜的距离l1=60mm，透镜与光孔之间距离为d=10mm，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。,A,B,A,B,1,2,解：判断孔径光
8、阑：轴上物点的成像张角比较法,1）透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。,2）光孔2相对于前面透镜成像：,A,B,A,B,1,2,3）D1，D2对轴上物点A的张角：,D2的张角最小，最能限制轴上物点A的成像光束，为入瞳，即光孔2为孔径光阑，U2为物方孔径角。光孔2后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，U2为像方孔径角。,2,(3) 孔径光阑位置的安放原则： a. 目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接（光瞳衔接原则）； b. 投影计量光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化； c. 对轴外光束像差校正； d. 各光学元件的口径匹配。, 理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。,4、主光线（Ch
9、ief ray）：,出瞳,入瞳,孔径光阑,定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。, 主光线是通过孔径光阑、并参与成像的物光束的中心光线。,二、视场光阑 (Field Stops),1、视场光阑:,3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。,视场光阑,限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑。,Q1Q2是视场光阑。 Q1Q2为入射窗; Q1Q2本身也为出射窗。 通常设置在系统的实像平面或物平面,Q1,Q2,孔径光阑,出射光瞳,入射光瞳,A,B,视场光阑,入射窗,出射窗,C,可见仅仅B点以内的物点可以被系统成像。,B点与入射光瞳中心的连线与光轴的夹角最小。,入射窗对入射光瞳中心的张角为最
10、小的,出射窗对出射光瞳中心的张角为最小的,视场角,孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。,(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最小者即为入射窗，入射窗对应的光学零件视场光阑.,入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 ，同时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件所成的像即为出射窗，出射窗对出瞳中心的张角即为像方视场角 。,视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。,确定视场光阑的方法：,(1)把孔径光阑以外的所有光孔经前面的光学系统成像到物空间，确定入瞳中心位置 (实际上在确定孔径光阑时这一步骤已完成)。,孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。
11、,线视场:物方线视场为物高的两倍，以2y表示。像方线视场为像高的两倍，以2y表示。,减小孔径光阑并不会对视场产生影响,孔径光阑的变化,视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光线的限制。,例：有一个由三个光学零件组成的光组，透镜O1,其口径D14mmf1=36mm，透镜O2，其口径 D212mm，f2=15mm,二透镜间隔195mm，在离透镜O1右180mm处设有一光孔D310mm，物点离透镜Ol为-45mm1）求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的大小和位置？,解：光孔D3经O1成像,在O1左方与物点重合,透镜O2经O1成像,（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳,U1最小，
12、故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经O2的像为出瞳。,（2）求视场光阑、入窗、出窗,故光孔O3为视场光阑，入窗与物平面重合，大小为2.5mm，出窗在无穷远,3,2,第二节 照相系统中的光阑,一、照相机的三个组成部分,镜头、可变光阑（孔径光阑）、感光底片/暗盒（视场光阑）,一、照相系统由三部分组成 镜头：将外界景物成像在底片上。 光阑：调节成像光束宽度从而调节光能量。 底片架框：确定景物的成像范围。,照相机和光阑的作用,轴上物点：孔径光阑在不同位置，对成像光束宽度的限制作用相同：都是光束的中 间部分参与成像。,轴外物点：孔径光阑在不同位置，参与成像光束的空间位置不同，成像质量不同。,轴外光束决
13、定孔径光阑的位置,假设：透镜口径足够大,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,孔径光阑位置移动，对轴上成像光束并无影响。,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,光阑位置对成像光束的影响,孔径光阑位置移动，对轴外成像光束有明显影响。,1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。,二、渐晕光阑 （Vignetting stop）,渐晕光阑,渐晕光阑,渐晕光阑,渐晕光阑,渐晕光阑,渐晕光阑,轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称为“渐晕”。该光阑称为“渐晕光阑”，渐晕光阑多为透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制轴外点
14、成像光束。,渐晕光阑,“渐晕系数”：,三、照相系统的光阑总结,孔径光阑在物镜中的位置,第三节 望远镜系统中成像光束的选择,一、双目望远镜的组成,1、构成,2、光学参数,目视光学系统的视角放大率：远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该 物体直接对眼睛张角 的正切之比。,*概念区别：角放大率,复习：第二章,3、分划板 视场光阑,分划板位于物、目两镜的共同焦面上： 入射窗、出射窗均在无穷远处， 分别与物、像面重合。,二、望远镜系统中的光束限制,1、光瞳衔接原则：前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。, 追迹主光线的投射高度,望远镜系统的光阑位置,实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔径光阑；
15、分划板为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳距离lz6mm,1）光阑在物镜的左侧10mm（=4.25）：,2）光阑在物镜上：,3）光阑在物镜右侧10mm：,三、望远镜系统光束限制的总结,1、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则；,2、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于6mm；,4、分划板就是视场光阑。,3、孔径光阑大致在物镜左右；,4、光阑位置对轴外光束位置的选择,第四节 显微镜系统中的光束限制和分析,一、简单显微镜系统中的光束限制,1、显微镜系统的构成,二、远心光路,1、孔径光阑在物镜上,(a) 测距原理：,(b) 调焦不准：,2) 由于调焦不精确，引 起像平面和标尺平面 不重合，从而导致测 量误差。,1) 入瞳与物镜边框重合；,2、孔径光阑在物镜的像方焦平面上,1) 入瞳位于物方无穷远。,A和A1、B和B1的主光线分别重合，且轴外点的主光线平行于主轴。,
