光學(xué)郭永康第二章1.光闌

1、本章內(nèi)容Contentschapter 2光闌和光瞳光闌和光瞳像差像差 optical system of humans eyes放大鏡和目鏡放大鏡和目鏡stop and pupilenlarging lens and eye lens人眼的光學(xué)系統(tǒng)人眼的光學(xué)系統(tǒng)顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡microscope and telescopeaberration CH 2-1 光光 闌闌 和和 光光 瞳瞳 stop and pupils2.1 光闌光闌 系統(tǒng)中的一些固定或可變的系統(tǒng)中的一些固定或可變的帶孔屏障帶孔屏障或光學(xué)元或光學(xué)元件的件的邊緣邊緣光闌光闌光闌（或其像）對(duì)入射光束的限制光闌（或其像

2、）對(duì)入射光束的限制光闌的像（或光闌）對(duì)共軛出射光束的限制光闌的像（或光闌）對(duì)共軛出射光束的限制PMNDDPDDNM光闌光闌孔徑光闌孔徑光闌視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌孔徑光闌孔徑光闌 A. S.：限制成像光束限制成像光束口徑口徑控制到達(dá)像面的光能控制到達(dá)像面的光能視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌 F. S.：限制物面上能成像的限制物面上能成像的范圍范圍限制視場(chǎng)的大小限制視場(chǎng)的大小LPQDDSA.PQP1QQFLFSF.DDPQ1Q一一. .孔徑光闌和孔徑光闌和視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌二二. . 光闌限制的共軛原理光闌限制的共軛原理DDPDDPMNNM結(jié)論：結(jié)論：光闌（或其像）對(duì)入射光束的限制與光闌的像光闌（或其像）對(duì)入射光束的限

3、制與光闌的像（或光闌）對(duì)其共軛出射光束的限制，兩者完全等價(jià)。（或光闌）對(duì)其共軛出射光束的限制，兩者完全等價(jià)。 如果任意入射線如果任意入射線PM與與DD的邊框部分相交，的邊框部分相交，其共軛出射線必被其共軛出射線必被DD阻擋；同理，另一入射阻擋；同理，另一入射線線PN能能“通過(guò)通過(guò)” DD，其共軛出射線必能通過(guò)其共軛出射線必能通過(guò)DD。 三三. .孔徑光闌的確定孔徑光闌的確定 入瞳和出瞳入瞳和出瞳原則原則: :將系統(tǒng)中各光闌將系統(tǒng)中各光闌分別經(jīng)其前面的光學(xué)元分別經(jīng)其前面的光學(xué)元件成像于系統(tǒng)的物空間件成像于系統(tǒng)的物空間, ,其中對(duì)軸上點(diǎn)其中對(duì)軸上點(diǎn)張角最小張角最小的那個(gè)像所對(duì)應(yīng)的光闌的那個(gè)像所對(duì)應(yīng)

4、的光闌即為孔徑光闌即為孔徑光闌A.S.孔徑光闌孔徑光闌 與軸上物點(diǎn)位置有關(guān)與軸上物點(diǎn)位置有關(guān), ,具有限制軸上物具有限制軸上物 點(diǎn)的成像光束孔徑角的作用。點(diǎn)的成像光束孔徑角的作用。FPLDDDDF入瞳入瞳孔徑光闌通過(guò)其孔徑光闌通過(guò)其前面前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像光學(xué)系統(tǒng)所成的像 (En.P.) 決定進(jìn)入系統(tǒng)光束的大小決定進(jìn)入系統(tǒng)光束的大小, ,如如DD入射孔徑角入射孔徑角由軸上物點(diǎn)對(duì)入瞳半徑的張角由軸上物點(diǎn)對(duì)入瞳半徑的張角出瞳出瞳孔徑光闌通過(guò)它孔徑光闌通過(guò)它后面后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像光學(xué)系統(tǒng)所成的像 (Ex.P.) 決定從系統(tǒng)出射光束的大小決定從系統(tǒng)出射光束的大小，如，如DD出射孔徑角出射孔徑角出瞳半

5、徑對(duì)軸上物點(diǎn)的共軛點(diǎn)所出瞳半徑對(duì)軸上物點(diǎn)的共軛點(diǎn)所 形成的張角形成的張角注意：注意：入瞳、孔徑光闌、出瞳三者入瞳、孔徑光闌、出瞳三者相互共軛相互共軛主光線主光線（chief ray） 通過(guò)物點(diǎn)和入瞳中心的光通過(guò)物點(diǎn)和入瞳中心的光線線軸上物點(diǎn)的主光線為光軸軸上物點(diǎn)的主光線為光軸邊緣光線邊緣光線 (marginel ray) 通過(guò)物點(diǎn)和入瞳邊緣的光線通過(guò)物點(diǎn)和入瞳邊緣的光線邊緣光線必通過(guò)孔徑光闌和出瞳邊邊緣光線必通過(guò)孔徑光闌和出瞳邊緣緣入瞳出窗入窗 出瞳2O2ODDP1QQP1QLABF.SF.SA00DD四四. .視場(chǎng)光闌的確定方法視場(chǎng)光闌的確定方法 入窗和出窗入窗和出窗物物 PQ 上上Q1 1

6、點(diǎn)以上的主光線都被透鏡邊緣擋住而不能點(diǎn)以上的主光線都被透鏡邊緣擋住而不能通過(guò)系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)透鏡邊緣的邊框限制著通過(guò)系統(tǒng)的主光透鏡邊緣的邊框限制著通過(guò)系統(tǒng)的主光線線限制著物面上的成像范圍限制著物面上的成像范圍視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌將系統(tǒng)中各光闌將系統(tǒng)中各光闌逐個(gè)地對(duì)其前面光學(xué)系統(tǒng)逐個(gè)地對(duì)其前面光學(xué)系統(tǒng)成像，求出系統(tǒng)的入瞳。成像，求出系統(tǒng)的入瞳。將所有這些像對(duì)入瞳中心將所有這些像對(duì)入瞳中心張角，其中最小張角者所張角，其中最小張角者所對(duì)應(yīng)的光闌即系統(tǒng)的視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的光闌即系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌光闌. .入窗入窗視場(chǎng)光視場(chǎng)光 闌經(jīng)前面光闌經(jīng)前面光 學(xué)系統(tǒng)的像學(xué)系統(tǒng)的像-限制物方限制物方視場(chǎng)的大小視場(chǎng)的大小出窗出窗視場(chǎng)光視

7、場(chǎng)光 闌經(jīng)后面光闌經(jīng)后面光 學(xué)系統(tǒng)的像學(xué)系統(tǒng)的像 -限制像方限制像方視場(chǎng)的大小視場(chǎng)的大小注意：視場(chǎng)光闌、入窗、出窗共軛注意：視場(chǎng)光闌、入窗、出窗共軛確定方法確定方法并不是所有視場(chǎng)以外各點(diǎn)的光線都被視場(chǎng)光闌擋住而并不是所有視場(chǎng)以外各點(diǎn)的光線都被視場(chǎng)光闌擋住而不能進(jìn)入系統(tǒng)參加成像，不能進(jìn)入系統(tǒng)參加成像，QQ1上的各點(diǎn)仍有光線進(jìn)入系上的各點(diǎn)仍有光線進(jìn)入系統(tǒng)，離軸越遠(yuǎn)像點(diǎn)越弱統(tǒng)，離軸越遠(yuǎn)像點(diǎn)越弱漸暈漸暈規(guī)定規(guī)定：以主光線能進(jìn)入系統(tǒng)的物點(diǎn)為視場(chǎng)的邊緣點(diǎn)：以主光線能進(jìn)入系統(tǒng)的物點(diǎn)為視場(chǎng)的邊緣點(diǎn)物方視場(chǎng)物方視場(chǎng)能進(jìn)入系統(tǒng)的主光線相應(yīng)的物點(diǎn)在物面上能進(jìn)入系統(tǒng)的主光線相應(yīng)的物點(diǎn)在物面上 的范圍（的范圍（PQ1）

8、像方視場(chǎng)像方視場(chǎng)物方視場(chǎng)的共軛像點(diǎn)在像面上的范圍物方視場(chǎng)的共軛像點(diǎn)在像面上的范圍 （PQ1）物方視場(chǎng)角物方視場(chǎng)角 0像方視場(chǎng)角像方視場(chǎng)角0三三. .光闌與景深光闌與景深三維物體成像在一個(gè)像面上的清晰度問(wèn)題三維物體成像在一個(gè)像面上的清晰度問(wèn)題-用光用光闌對(duì)成像光束的口徑加以限制闌對(duì)成像光束的口徑加以限制如果在如果在O點(diǎn)前后一段距離點(diǎn)前后一段距離內(nèi)，物體上各點(diǎn)在屏上生成內(nèi)，物體上各點(diǎn)在屏上生成的像都可以認(rèn)為是清晰的，的像都可以認(rèn)為是清晰的，則物空間內(nèi)這一段距離則物空間內(nèi)這一段距離景深景深xdxd像空間內(nèi)相應(yīng)的距離像空間內(nèi)相應(yīng)的距離-焦深焦深光束越細(xì)光束越細(xì)景深越長(zhǎng)景深越長(zhǎng)光闌越大光闌越大景深越短景

9、深越短AOBLDDBOA例例2.1-1 兩個(gè)薄透鏡兩個(gè)薄透鏡L1、L2的孔徑為的孔徑為4.0cm，L1為凹透鏡為凹透鏡L2為凸透鏡，它們的焦距分別為為凸透鏡，它們的焦距分別為8cm和和6cm，鏡間距離，鏡間距離為為3cm，光線平行于光軸入射。求系統(tǒng)的孔徑光闌、入，光線平行于光軸入射。求系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳及視場(chǎng)光闌。瞳和出瞳及視場(chǎng)光闌。解：解：首先將首先將L1和和L2分別對(duì)其前面光學(xué)系統(tǒng)成像，分別對(duì)其前面光學(xué)系統(tǒng)成像，L1對(duì)其對(duì)其前面光學(xué)系統(tǒng)的像就是他本身，而前面光學(xué)系統(tǒng)的像就是他本身，而L2經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)即即L1所成的像，所成的像，ssfsf ss L1的右側(cè)的右側(cè)2.2cm出高出高2.9cmcm的縮小虛象的縮小虛象L2平行光入射平行光入射, ,