應(yīng)用光學(xué)：第五章-光學(xué)系統(tǒng)中成像光束的選擇

第一節(jié)光闌*第二節(jié)照相系統(tǒng)的光闌

*第三節(jié)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇*第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析第五節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深第五章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌(Stops)第一節(jié)光闌1、孔徑光闌的定義和作用一、孔徑光闌(ApertureStops)

★含義1：限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角大小的光闌。入射孔徑角出射孔徑角★含義2：孔徑光闌的位置不同，但都起到了對(duì)軸上物點(diǎn)成像光束寬度的限制作用；只需相應(yīng)的改變光闌大小，即可保證軸上物點(diǎn)成像光束的孔徑角不變。

★含義3：孔徑光闌的位置不同，則對(duì)應(yīng)于選擇軸外物點(diǎn)發(fā)出光束的不同部分參與成像?！锟讖焦怅@的定義：1）限制軸上物點(diǎn)成像光束孔徑角的大?。▽挾龋?）選擇軸外物點(diǎn)成像光束的位置。2、入射光瞳與出射光瞳（EntranceandExitpupils）★出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）

——可直接確定出射孔徑角★入射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）

——可直接確定入射孔徑角出瞳入瞳孔徑光闌1）入瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的入射光束的孔徑角。2）出瞳：決定光學(xué)系統(tǒng)的出射光束的孔徑角。3）孔徑光闌：實(shí)際對(duì)光束孔徑限制作用最大的光闌。決定了入瞳、出瞳；三者互為共軛關(guān)系。3.光路中孔徑光闌的判斷Q1:不同位置的軸上物點(diǎn)，誰是孔徑光闌？Q2:幾個(gè)口徑確定的透鏡組合，如何判斷確定的軸上物點(diǎn)位置的孔徑光闌?★軸上物點(diǎn)對(duì)成像張角比較法a.將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌（透鏡邊框和光圈等），對(duì)其前面的光學(xué)系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；b.由軸上物點(diǎn)向各像邊緣、第一個(gè)透鏡邊緣分別作連線，求張角最小值即為入瞳，相應(yīng)的共軛物為孔徑光闌；c.孔徑光闌對(duì)后面光學(xué)系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。例1：已知物點(diǎn)A離透鏡1的距離為-l1=30mm，透鏡1的通光口徑D1=30mm,光孔2的直徑D2=22mm，像點(diǎn)A’離透鏡的距離l1′=60mm，透鏡與光孔之間距離為d=10mm，試確定這個(gè)系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。ABA'B'12解：判斷孔徑光闌：軸上物點(diǎn)的成像張角比較法1）透鏡1框內(nèi)孔相對(duì)于前面光學(xué)系統(tǒng)的像與自身重合。2）光孔2相對(duì)于前面透鏡成像：2′ABA'B'123）D1，D2'對(duì)軸上物點(diǎn)A的張角：

D2′的張角最小，最能限制軸上物點(diǎn)A的成像光束，為入瞳，即光孔2為孔徑光闌，U2為物方孔徑角。光孔2后面無透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，U2′為像方孔徑角。2′二、視場光闌(FieldStops)

1.視場光闌軸上點(diǎn)Q與軸外點(diǎn)P，各自的成像光束受限有何不同？——隨著物點(diǎn)離軸距離的增大，主光線會(huì)被某光闌（非孔徑光闌）邊緣所遮斷，使得光學(xué)系統(tǒng)清晰成像的物面范圍（特別是軸外物）受到限制?！镆晥龉怅@：限定光學(xué)系統(tǒng)成像范圍的光闌。——物方視場（能夠清晰成像的物面范圍）——像方視場★入射視場角：主光線入射部分與光軸的夾角ω0★出射視場角：主光線出射部分與光軸的夾角ω0′以主光線剛好被視場光闌邊緣遮斷的軸外物點(diǎn)為分界：漸暈？2.漸暈：像平面上，視場的邊緣比中間暗?！镆晥龉怅@設(shè)在物平面上，其在像方的共軛落在像平面上?！镆晥龉怅@設(shè)在像平面上，其在物方的共軛落在物平面上。解決辦法：★視場光闌設(shè)在中間像的平面上，其在物、像方的共軛分別落在物、像平面上。例：望遠(yuǎn)鏡顯微鏡3.入射窗與出射窗★入射窗：視場光闌經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（物空間）★出射窗：視場光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像（像空間）視場光闌、入射窗與出射窗三者互為共軛關(guān)系。視場光闌的判斷——入瞳中心的成像張角比較法判斷除孔徑光闌以外，求系統(tǒng)其他光孔在物空間的像，各像邊緣與入瞳中心的連線（主光線）中，張角最小的為入射窗,最能限制物空間的成像范圍。對(duì)應(yīng)的光孔即為視場光闌。

出瞳入瞳孔徑光闌視場光闌(出窗)入窗物像共軛:入射窗出射窗視場光闌物方視場角像方視場角1、漸暈現(xiàn)象：像平面的邊緣比中間暗（離軸物點(diǎn)）。2、漸暈系數(shù):

（漸暈光闌）——透鏡邊框起到“攔光”的作用。三、漸暈光闌（Vignettingstop）

B1點(diǎn)：這以內(nèi)是無漸暈成像范圍，充滿入瞳的光全通過，像面照度均勻；B2點(diǎn)：恰使主光線通過，半漸暈；B3點(diǎn)：最大成像范圍。線漸暈系數(shù)面漸暈系數(shù)入瞳入窗物平面用什么來描述漸暈嚴(yán)重程度？漸暈的優(yōu)點(diǎn)：提高像質(zhì)，減小橫向尺寸。漸暈的缺點(diǎn)：降低軸外點(diǎn)像面照度，能量減少。對(duì)于有一定大小的入射光瞳的光學(xué)系統(tǒng)，也可以不存在漸暈。

以上所有量均以入射光瞳中心為原點(diǎn)。

消除漸暈的方法：欲使?jié)u暈區(qū)B1B3為零，需使p=q，即入窗與物面重合，出窗與像面重合。入瞳入窗物平面1、孔徑光闌：入瞳、出瞳（軸上物點(diǎn)的成像張角比較法）

**光學(xué)系統(tǒng)的物（像）方孔徑角：

軸上物（像）點(diǎn)-入瞳邊緣連線，與光軸的夾角。四、小結(jié)2、視場光闌：入射窗、出射窗

**光學(xué)系統(tǒng)的物（像）方視場角：入射窗兩邊緣對(duì)入瞳中心的張角。出射窗兩邊緣對(duì)出瞳中心的張角。3、漸暈

由軸外物點(diǎn)發(fā)出的、充滿入瞳的光束中，部分光線被其他光孔阻擋，導(dǎo)致的像平面內(nèi)的視場逐漸昏暗的現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的光孔即為漸暈光闌。第五節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果一、光學(xué)系統(tǒng)的景深★成像空間的景深：在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度。

判斷標(biāo)準(zhǔn)：將像平面上允許的最大光斑直徑作為景深的標(biāo)準(zhǔn)B1AB2A1A2MM'N'NHH'DA2'A1'A'Z'Z'l2l2'll'l1l1'遠(yuǎn)景平面對(duì)準(zhǔn)平面近景平面景像平面

B1AB2A1A2MM'N'NHH'DA2'A1'A'Z'Z'l2l2'll'l1l1'兩式相減通分得

因?yàn)閘遠(yuǎn)大于f',定義相對(duì)孔徑（D/f'）

例2：如果使用相機(jī)，要求最遠(yuǎn)的清晰范圍知道無窮遠(yuǎn)，求最近的基準(zhǔn)平面和總的成像深度。解：當(dāng)l1=-∞，代入公式

解得

近景景深：

解得

總景深：由無窮遠(yuǎn)處到l2距離即為總景深。例3：已知照相機(jī)的物鏡的焦距f'=