確定孔徑光闌-青島理工大學(xué)課件

工程光學(xué)郭峰青島理工大學(xué)機械工程學(xué)院EngineeringOptics工程光學(xué)郭峰EngineeringOptics第五章光學(xué)系統(tǒng)中光束限制5.1孔徑光闌5.2視場光闌5.3漸暈光闌與漸暈系數(shù)5.4光學(xué)系統(tǒng)的景深第五章光學(xué)系統(tǒng)中光束限制5.1孔徑光闌5.1孔徑光闌

實際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)不同，其參與成像的光束寬度和成像范圍都是有限的。限制來自于光學(xué)零件的尺寸大小和其他金屬框。從光學(xué)設(shè)計的角度看，如何合理的選擇成像光束是必須分析的問題。光學(xué)系統(tǒng)不同，對參與成像的光束位置和寬度要求也不同。5.1孔徑光闌實際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)不同，5.1孔徑光闌

光闌---在光學(xué)系統(tǒng)中限制成像光束口徑、或者是限制成像范圍的光孔或框稱為光闌。分為:孔徑光闌視場光闌漸暈光闌BB2A1B1A2L5.1孔徑光闌光闌---在光學(xué)系統(tǒng)中限制成5.1孔徑光闌

夾持光學(xué)零件的金屬框（透鏡框、棱鏡框）限制了成像光束的大小。光孔的大小是可變化的，這種光闌稱為“可變光闌”。光闌是實際光學(xué)系統(tǒng)成滿意（完善）像必不可少的零件。5.1孔徑光闌夾持光學(xué)零件的金屬框（透鏡框、棱EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.1孔徑光闌

孔徑光闌(Aperturestop)---限制成像光束立體角,決定了軸上點成像光束中最邊緣光線的傾斜角(光束的孔徑角)Theaperturestop(AS)isdefinedtobethestoporlensring,whichphysicallylimitsthesolidangleofrayspassingthroughthesystemfromanon-axisobjectpoint.Theaperturestoplimitsthebrightnessofanimage.EngineeringOpticsDr.F.Gu5.1孔徑光闌孔徑光闌對軸上點的光束和軸外光束限制L1M1N1M2N225.1孔徑光闌孔徑光闌對軸上點的光束和軸外光束限制L1M1-y

-UP'P1′P2′PP1P2U'y'QQ2Q出射光瞳入射光瞳孔徑光闌L1L2U—物方孔徑角U′—像方孔徑角-y-UP'P1′P2′PP1P2U'y'QQ2Q出射光瞳

入瞳(Entrancepupil):孔徑光闌被其前面的光學(xué)鏡組在物空間所成的像.實際進入光學(xué)系統(tǒng)的光量由入瞳決定.入瞳決定了物點成像光束的最大孔徑,并且是物面上各點成像光束的公共入口.入瞳(Entrancepupil):孔徑光闌EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013

出瞳(ExitPupil):孔徑光闌被其后面的鏡組在系統(tǒng)像空間所成的像.實際離開光學(xué)系統(tǒng)的光量由出瞳決定.出瞳是物面上各點成像光束自系統(tǒng)出射時的公共出口.出瞳是入瞳經(jīng)整個系統(tǒng)成的像.EngineeringOpticsDr.F.GuEngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.1孔徑光闌

Q1Q2:孔徑光闌

P1P2:入瞳入射光瞳對軸上物點A的張角P1AP2:物方孔徑角U對軸上點邊緣光線做光路計算時所取的孔徑角為該角.通過物點和入射光瞳中心的光線稱為主光線(Chiefray)通過物點和入瞳邊緣的光線稱為邊緣光線

(marginalray)

EngineeringOpticsDr.F.GuEngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.1孔徑光闌

Q1Q2:孔徑光闌

P’1P’2:出瞳出射光瞳對像面中心點A’的張角P’1A’P’2:

像方孔徑角UEngineeringOpticsDr.F.Gu5.1孔徑光闌

5.1孔徑光闌5.1孔徑光闌

入射光瞳經(jīng)整個光學(xué)系統(tǒng)成的像為出射光瞳,兩者對整個光學(xué)系統(tǒng)共軛.主光線必然通過孔徑光闌中心和出瞳中心.主光線是物面各點發(fā)出的成像光束的中心光線.通過入瞳邊緣的光線也必通過孔徑光闌和出瞳的邊緣。光學(xué)系統(tǒng)中的孔徑光闌只是對一定的物體而言.物體位置變化,原來的孔闌可能會失去限制光束的作用,成像光束被其他光孔限制.5.1孔徑光闌入射光瞳經(jīng)整個光學(xué)系統(tǒng)成的像為出5.1孔徑光闌

若孔徑光闌位于系統(tǒng)的最前邊，則系統(tǒng)的入瞳就是孔徑光闌；若孔徑光闌位于系統(tǒng)的最后邊，則孔徑光闌是系統(tǒng)的出瞳主光線（或主光線的延長線）必通過入瞳、孔徑光闌和出瞳的中心。主光線是物面上各點成像光束的的中心線,他們構(gòu)成了以入瞳中心為頂點的同心光束.5.1孔徑光闌若孔徑光闌位于系統(tǒng)的最前邊，則系5.1孔徑光闌

確定孔徑光闌的方法把光具組中所有光闌當(dāng)作物，逐個地相對其前方系統(tǒng)成像。由軸上物點向每個像的邊緣引直線，其中與主光軸所夾銳角最小的入射孔徑角對應(yīng)的像即為入射光瞳，入射光瞳對應(yīng)的共軛物即為孔徑光闌。5.1孔徑光闌確定孔徑光闌的方法當(dāng)實際光組中有多個光闌時，確定方法為：⑴：各個光學(xué)孔徑成像到物空間；⑵：由物點向光闌像邊緣引光線，找出光線與光軸的夾角；⑶：夾角最小者所對應(yīng)的光闌即為孔徑光闌。確定方法可以通過圖解法，也可以通過解析法。當(dāng)實際光組中有多個光闌時，確定方法為：⑴：各個光學(xué)孔徑成像到EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013例已知一光學(xué)系統(tǒng)由三個零件組成，透鏡1其焦距

f1′=-f1=100mm，口徑D1=40mm；透鏡2的焦距f2′=-f2=120mm，口徑D2=30mm，它和透鏡1之間的距離為d1=20mm；光闌3口徑為20mm，它和透鏡2之間的距離d2=30mm。物點A的位置L1=-200mm，試確定該光組中，哪一個光孔是孔徑光闌。

F1,F2EngineeringOpticsDr.F.Gu圖解法為了使各光闌和物點A產(chǎn)生直接聯(lián)系，把它們?nèi)砍上竦轿锟臻g去。圖解法為了使各光闌和物點A產(chǎn)生直接聯(lián)系，把它們?nèi)砍上竦轿锟沼晌稂c向各個像邊緣引光線，得到夾角最小者所對應(yīng)的光闌即為孔徑光闌。D’1D’2D’3由物點向各個像邊緣引光線，得到夾角最小者所對應(yīng)的光闌即為孔徑EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013

光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌只是對一定位置的物體而言的如果物體位置發(fā)生變化，原來限制光束的孔徑光闌將會失去限制光束的作用，光束會被其他光孔所限制。

對于無限遠的物體，光學(xué)系統(tǒng)的所有光孔被其前面的光學(xué)零件在物空間所成的像中，直徑最小的一個光孔像就是系統(tǒng)的入瞳。EngineeringOpticsDr.F.Gu在對目視儀器，人眼瞳孔起著限制光束的作用。因此，應(yīng)確保光`學(xué)系統(tǒng)的出瞳和人眼瞳孔在位置上重合，大小也應(yīng)匹配合適。合理選擇孔徑光闌的位置可以改善軸外點成像質(zhì)量。在對目視儀器，人眼瞳孔起著限制光束的作用。因此，應(yīng)確保光`學(xué)5.1孔徑光闌

相對孔徑:入射光瞳直徑/系統(tǒng)焦距,.相對孔徑A越大，表明能進入系統(tǒng)的光能也越多.而照相機，則常用另一個術(shù)語—光闌指數(shù)，用f來表示，它是相對孔徑的倒數(shù)，即F數(shù)(f-Number):相對孔徑倒數(shù).5.1孔徑光闌相對孔徑:入射光瞳直徑/系統(tǒng)焦5.1孔徑光闌F數(shù)(f-Number):f/1,1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22D增加通光面積增加2,時間減少25.1孔徑光闌F數(shù)(f-Number):f/1,5.1孔徑光闌f/32–smallapertureandslowshutterspeedf/2–largeapertureandfastshutterspeed5.1孔徑光闌f/32–smallaperture5.2視場光闌視場光闌:起限制成像范圍的光孔或框.5.2視場光闌視場光闌:起限制成像范圍的光孔或框.EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.2視場光闌視場光闌:起限制成像范圍的光孔或框.有成實像或有中間實像的系統(tǒng)中必有位于此實像平面上的視闌.視場入射窗:視場光闌被其前面的光學(xué)鏡組在物空間所成的像.視場出射窗:視場光闌被其后面的光學(xué)鏡組在像空間所成的像.入射窗必與物面重和,出射窗必與像面重和.

光學(xué)系統(tǒng)的成像范圍是有限的。照相機中底片框限制了被成像范圍的大小.EngineeringOpticsDr.F.Gu5.2視場光闌物方視場角:入射窗的邊緣對入瞳中心的張角.像方視場角:出射窗的邊緣對入瞳中心的張角.若物位于無窮遠,物方視場的大小以物方視場角表示5.2視場光闌物方視場角:入射窗的邊緣對入瞳中心的張角.一、視場光闌的確定方法：（2）確定孔徑光闌；（1）用計算法或作圖法求每一光闌被它前面光組在物空間所成的像；⑶由入瞳中心向各光闌在物空間所成的像的邊緣引光線，夾角最小者所對應(yīng)的光闌即為視場光闌。一、視場光闌的確定方法：（2）確定孔徑光闌；（1）用計算法或求上例中光組的視場光闌。

f1′=-f1=100mm，D1=40mm；f2′=-f2=120mm，D2=30mm，d1=20mm；

D3=20mm，d2=30mm，L1=-200mmD1D2D3F1,F2求上例中光組的視場光闌。D1D2D3F1,F2求出系統(tǒng)每一個光闌被它前面光組在物空間所成的像（此步驟在求孔徑光闌時已經(jīng)進行）

D3（孔徑光闌）D2'D1D1'D2F1'F2'D3'33.33w1w2w3求出系統(tǒng)每一個光闌被它前面光組在物空間所成的像（此步驟在求孔D1′

對入瞳中心的張角為D2′

本身是入瞳，D3′對入瞳中心的張角為D3′對入瞳中心的張角最小，故光闌3是視場光闌。D1′對入瞳中心的張角為EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013入窗限制物空間的可成像范圍出窗限制像空間的成像范圍入窗和出窗共軛。EngineeringOpticsDr.F.Gu物方視場角：在物空間中，入窗邊緣對入瞳中心的張角2像方視場角：在像空間中，出窗邊緣對出瞳中心的張角2半視場角與也可以表示光組視場的大小，因此常把與稱為視場角。物方視場角：在物空間中，入窗邊緣對入瞳中心的張角2像方視場視場光闌是對一定位置的孔徑光闌而言的。當(dāng)孔徑光闌位置改變時，原來的視場光闌將可能被另外的光孔所代替。盡量使入窗與物面重合，或像平面與出窗重合——不產(chǎn)生漸暈的必要條件。視場光闌總是設(shè)置在系統(tǒng)的物面、實像平面或中間實像平面上。如顯微鏡、望遠鏡、照相機等都是安置在像面上，投影儀、放映機則位于物面上，視場光闌的大小分別為像面大小或是物面大小，個別儀器除外（如放大鏡和伽利略望遠鏡等）視場光闌是對一定位置的孔徑光闌而言的。當(dāng)孔徑光闌位置改變時，EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013兩種光闌作用的比較對孔徑光闌與視場光闌孔徑光闌限制成像光束的孔徑，即決定像的照度、分辯率。視場光闌決定視場，即物體成像的范圍。孔徑光闌縮小時，每一物點成像光束孔徑角變小，像面照度減小，但成像范圍不變視場光闌縮小時，成像范圍變小，但能成像物點的孔徑角不變，即像的照度不變。EngineeringOpticsDr.F.Gu為了改善軸外點的成像，常有意識地縮小某一、二個透鏡直徑，擋去一部分成像光線，這種被縮小直徑的透鏡或光孔造成圖像邊緣通光下降稱為漸暈。5.3漸暈光闌(VignettingStop)為了改善軸外點的成像，常有意識地縮小某一、二個透鏡直徑，擋去5.3漸暈光闌(VignettingStop)軸外光束的漸暈由軸外物點發(fā)出的充滿入瞳的光束中部分光線被其他光孔阻擋的現(xiàn)象叫軸外光束的漸暈——軸上與軸外物點成像光束大小不同的現(xiàn)象。B點發(fā)光--》充滿入瞳--》L1與L2攔光--》B點成像光束較A點少--》B點暗淡--》圖像邊緣模糊徑闌入瞳出瞳5.3漸暈光闌(VignettingStop)軸外光束的EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.3漸暈光闌(VignettingStop)軸外光束的漸暈此時,形成B圖像的光束決定于鏡框L

2.鏡框L

2稱為漸暈光闌.漸暈光闌通過它前面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像:漸暈入射窗.漸暈光闌通過它后面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像:漸暈出射窗徑闌入瞳出瞳EngineeringOpticsDr.F.Gu5.3漸暈光闌5.3漸暈光闌5.3漸暈光闌/optics/vignetting.html5.3漸暈光闌5.3漸暈光闌入窗（出窗）與物（像）面不重合---》產(chǎn)生漸暈略去透鏡和其他光孔,僅畫出物平面、入瞳平面和漸暈光闌（與視場光闌重合）在物空間的像。在物面上按其成像光束孔徑角的不同,可分為三個區(qū)域:5.3漸暈光闌入窗（出窗）與物（像）面不重合---》產(chǎn)生漸5.3漸暈光闌以AB1為半徑的圓形區(qū),每個點均以充滿入瞳的全部光束成像.此區(qū)之邊緣點Ｂ1由入射光瞳的下邊緣P2和入射窗下邊緣M2的連線確定.

5.3漸暈光闌5.3漸暈光闌以B1B2繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)域中,每一點不能用充滿入瞳的光束成像.由B1到B2,能通過入射光瞳的光束由100%到50%漸變,這就是軸外漸暈.

5.3漸暈光闌以B1B2繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)5.3漸暈光闌以B2B3繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)域中,各點的光束漸暈更嚴(yán)重.由B2到B3,漸暈系數(shù)由50%降到0.B3是可見勢場最邊緣點.由入射光瞳邊緣點P1和入射窗下邊緣點M2連線決定.

5.3漸暈光闌以B2B3繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)5.3漸暈光闌用漸暈系數(shù)描述光束漸暈的程度.

軸外點能通過光學(xué)系統(tǒng)的成像光束在入(出)瞳面上的截面積與入(出)瞳面積之比稱面漸暈系數(shù)；軸外點能通過光學(xué)系統(tǒng)成像的子午光束(即含軸面內(nèi)光束)在入(出)瞳面上的線度與入(出)瞳面直徑之比為線漸暈系數(shù)。

5.3漸暈光闌用漸暈系數(shù)描述光束漸暈的程度.5.3漸暈光闌不存在漸暈的條件不存在漸暈,則B1B3=0,q=p漸暈入射窗和物平面重合(或漸暈出射窗和像平面重合)入射窗和物平面重合:成為視場入射窗5.3漸暈光闌不存在漸暈的條件不存在漸暈,則B1B35.4遠心光學(xué)系統(tǒng)5.4遠心光學(xué)系統(tǒng)EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013二、遠心光路

1、孔徑光闌在物鏡上(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準(zhǔn)：2)由于調(diào)焦不精確，引起像平面和標(biāo)尺平面不重合，從而導(dǎo)致測量誤差。1)入瞳與物鏡邊框重合；EngineeringOpticsDr.F.GuEngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013遠心光學(xué)系統(tǒng)2、孔徑光闌在物鏡的像方焦平面上1)入瞳位于物方無窮遠。A和A1、B和B1的主光線分別重合，且軸外點的主光線平行于主軸。3)主光線是物點成像光束的中心軸，則物點A1B1在刻尺平面構(gòu)成的兩個彌散斑的中心間隔始終不變?！?/p>

物方遠心光路

(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準(zhǔn)：EngineeringOpticsDr.F.Gu場鏡的特性及其應(yīng)用

可以減少目鏡的口徑場鏡場鏡的特性及其應(yīng)用可以減少目鏡的口徑場鏡說明(1)場鏡能夠改變成像光束的位置，而不影響系統(tǒng)的光學(xué)特性。位于像平面或者和像平面重合或者與像平面靠的很近的透鏡。(2)場鏡的特性(3)場鏡經(jīng)常被使用在連續(xù)成像的組合系統(tǒng)中。因為其前面的光學(xué)零件所成的像正好位于場鏡的主平面，通過場鏡后所成的像和原來像的大小相等。說明(1)場鏡能夠改變成像光束的位置，而不影第一個透鏡出射的光束全部進入第二個透鏡，且第二個透鏡的口徑也不至于太大。(3)確定場鏡的焦距第一個透鏡出射的光束全部進入第二個透鏡，且第二個透鏡(3)5.5光學(xué)系統(tǒng)的景深5.5光學(xué)系統(tǒng)的景深5.5光學(xué)系統(tǒng)的景深許多光學(xué)儀器中整個空間或部分空間的物點成像在一個平面上。理論上,只有空間中與像平面共軛的平面上的點才能真正成像在像平面上.，而其他點在像平面上成彌散斑。若彌散斑足小于接收儀器的分辨率或人眼睛的分辨率，則認為該點成像清晰。對一定深度的空間在同一像平面上要求所成的像清晰。

像平面A’:景像平面

A:對準(zhǔn)平面5.5光學(xué)系統(tǒng)的景深許多光學(xué)儀器中整個空間或部分空間的物點B1,B2

發(fā)出充滿入瞳的光束,與對準(zhǔn)平面相交為彌散斑z1和z2.像平面上彌散斑大小與光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳的大小和空間點距對準(zhǔn)平面的距離有關(guān).彌散斑足夠小,接收器所接收的影像認為清晰,則彌散斑可以認為是空間點在平面上成的像.景深:能夠在相平面上獲得足夠清晰的像的空間的深度.

=1+2遠平面:

能夠成足夠清晰像的最遠平面,1:遠景深度近平面:能夠成足夠清晰像的最近平面,2:近景深度B1,B2發(fā)出充滿入瞳的光束,與對準(zhǔn)平面相交為彌散斑z在同一平面成像,彌散斑線度一致為彌散斑允許值垂軸放大率z

由系統(tǒng)決定在同一平面成像,彌散斑線度一致為彌散斑允許值垂軸放大率z由光學(xué)系統(tǒng)的遠景深度1較近景深度2大,景深影響景深的因素:入瞳直徑2a，入瞳直徑越大,景深小。對準(zhǔn)平面與入瞳的距離p，對準(zhǔn)平面越遠,景深越大。垂軸放大率，垂軸放大率小，景深越大。影響景深的因素:對于照相系統(tǒng)，Z’

的確定照片上各點彌散斑對人眼的張角小于人眼極限分辨角(1‘—2’)，則認為圖像是清晰的。

為了獲得正確的空間感覺，必須要以適當(dāng)?shù)木嚯x觀察照片、即應(yīng)使照片上的各像點對眼睛的張角與直接觀察該空間物體時對應(yīng)點對眼睛的張角相等，符合這—條件的距離叫作正確透視距離，以D表示。為得到正確的透視．景像平面上像y’對眼睛R張角’應(yīng)等于物空間的共扼物y對入射光瞳中心P的張角，即對于照相系統(tǒng)，Z’的確定照片上各點彌散斑對人眼的張角小于人景像面上的彌散斑直徑為對準(zhǔn)面上的彌散斑直徑為景像面上的彌散斑直徑為對準(zhǔn)面上的彌散斑直徑為若使對準(zhǔn)平面后的整個空間都能在景像平面上成清晰像，即遠景深度1

＝此時

如果把照相物鏡調(diào)焦到無限遠，p=,

若使對準(zhǔn)平面后的整個空間都能在景像平面上成清晰像，即遠景深度入瞳直徑越大,焦距越大,景深小對準(zhǔn)平面越遠,景深越大對于照相系統(tǒng),垂軸放大率可近似寫為入瞳直徑越大,焦距越大,景深小對于照相系統(tǒng),垂軸放大率可確定孔徑光闌-青島理工大學(xué)課件使對準(zhǔn)平面以后的整個空間能在景象平面上成清晰像,對準(zhǔn)平面位置近景平面位置pp.72-73,例1-2.使對準(zhǔn)平面以后的整個空間能在景象平面上成清晰像,對準(zhǔn)平面位置（一）長景深的照片（一）長景深的照片確定孔徑光闌-青島理工大學(xué)課件確定孔徑光闌-青島理工大學(xué)課件確定孔徑光闌-青島理工大學(xué)課件（二）短景深照片（二）短景深照片確定孔徑光闌-青島理工大學(xué)課件確定孔徑光闌-青島理工大學(xué)課件

景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對像質(zhì)的要求(表現(xiàn)為對容許彌散圓的大小)有關(guān)。這些主要因素對景深的影響如下(假定其他的條件都不改變)：(1)、鏡頭光圈：光圈越大，景深越?。还馊υ叫?，景深越大；(2)、鏡頭焦距鏡頭焦距越長，景深越??；焦距越短，景深越大；(3)、拍攝距離距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對像質(zhì)的工程光學(xué)郭峰青島理工大學(xué)機械工程學(xué)院EngineeringOptics工程光學(xué)郭峰EngineeringOptics第五章光學(xué)系統(tǒng)中光束限制5.1孔徑光闌5.2視場光闌5.3漸暈光闌與漸暈系數(shù)5.4光學(xué)系統(tǒng)的景深第五章光學(xué)系統(tǒng)中光束限制5.1孔徑光闌5.1孔徑光闌

實際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)不同，其參與成像的光束寬度和成像范圍都是有限的。限制來自于光學(xué)零件的尺寸大小和其他金屬框。從光學(xué)設(shè)計的角度看，如何合理的選擇成像光束是必須分析的問題。光學(xué)系統(tǒng)不同，對參與成像的光束位置和寬度要求也不同。5.1孔徑光闌實際光學(xué)系統(tǒng)與理想光學(xué)系統(tǒng)不同，5.1孔徑光闌

光闌---在光學(xué)系統(tǒng)中限制成像光束口徑、或者是限制成像范圍的光孔或框稱為光闌。分為:孔徑光闌視場光闌漸暈光闌BB2A1B1A2L5.1孔徑光闌光闌---在光學(xué)系統(tǒng)中限制成5.1孔徑光闌

夾持光學(xué)零件的金屬框（透鏡框、棱鏡框）限制了成像光束的大小。光孔的大小是可變化的，這種光闌稱為“可變光闌”。光闌是實際光學(xué)系統(tǒng)成滿意（完善）像必不可少的零件。5.1孔徑光闌夾持光學(xué)零件的金屬框（透鏡框、棱EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.1孔徑光闌

孔徑光闌(Aperturestop)---限制成像光束立體角,決定了軸上點成像光束中最邊緣光線的傾斜角(光束的孔徑角)Theaperturestop(AS)isdefinedtobethestoporlensring,whichphysicallylimitsthesolidangleofrayspassingthroughthesystemfromanon-axisobjectpoint.Theaperturestoplimitsthebrightnessofanimage.EngineeringOpticsDr.F.Gu5.1孔徑光闌孔徑光闌對軸上點的光束和軸外光束限制L1M1N1M2N225.1孔徑光闌孔徑光闌對軸上點的光束和軸外光束限制L1M1-y

-UP'P1′P2′PP1P2U'y'QQ2Q出射光瞳入射光瞳孔徑光闌L1L2U—物方孔徑角U′—像方孔徑角-y-UP'P1′P2′PP1P2U'y'QQ2Q出射光瞳

入瞳(Entrancepupil):孔徑光闌被其前面的光學(xué)鏡組在物空間所成的像.實際進入光學(xué)系統(tǒng)的光量由入瞳決定.入瞳決定了物點成像光束的最大孔徑,并且是物面上各點成像光束的公共入口.入瞳(Entrancepupil):孔徑光闌EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013

出瞳(ExitPupil):孔徑光闌被其后面的鏡組在系統(tǒng)像空間所成的像.實際離開光學(xué)系統(tǒng)的光量由出瞳決定.出瞳是物面上各點成像光束自系統(tǒng)出射時的公共出口.出瞳是入瞳經(jīng)整個系統(tǒng)成的像.EngineeringOpticsDr.F.GuEngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.1孔徑光闌

Q1Q2:孔徑光闌

P1P2:入瞳入射光瞳對軸上物點A的張角P1AP2:物方孔徑角U對軸上點邊緣光線做光路計算時所取的孔徑角為該角.通過物點和入射光瞳中心的光線稱為主光線(Chiefray)通過物點和入瞳邊緣的光線稱為邊緣光線

(marginalray)

EngineeringOpticsDr.F.GuEngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.1孔徑光闌

Q1Q2:孔徑光闌

P’1P’2:出瞳出射光瞳對像面中心點A’的張角P’1A’P’2:

像方孔徑角UEngineeringOpticsDr.F.Gu5.1孔徑光闌

5.1孔徑光闌5.1孔徑光闌

入射光瞳經(jīng)整個光學(xué)系統(tǒng)成的像為出射光瞳,兩者對整個光學(xué)系統(tǒng)共軛.主光線必然通過孔徑光闌中心和出瞳中心.主光線是物面各點發(fā)出的成像光束的中心光線.通過入瞳邊緣的光線也必通過孔徑光闌和出瞳的邊緣。光學(xué)系統(tǒng)中的孔徑光闌只是對一定的物體而言.物體位置變化,原來的孔闌可能會失去限制光束的作用,成像光束被其他光孔限制.5.1孔徑光闌入射光瞳經(jīng)整個光學(xué)系統(tǒng)成的像為出5.1孔徑光闌

若孔徑光闌位于系統(tǒng)的最前邊，則系統(tǒng)的入瞳就是孔徑光闌；若孔徑光闌位于系統(tǒng)的最后邊，則孔徑光闌是系統(tǒng)的出瞳主光線（或主光線的延長線）必通過入瞳、孔徑光闌和出瞳的中心。主光線是物面上各點成像光束的的中心線,他們構(gòu)成了以入瞳中心為頂點的同心光束.5.1孔徑光闌若孔徑光闌位于系統(tǒng)的最前邊，則系5.1孔徑光闌

確定孔徑光闌的方法把光具組中所有光闌當(dāng)作物，逐個地相對其前方系統(tǒng)成像。由軸上物點向每個像的邊緣引直線，其中與主光軸所夾銳角最小的入射孔徑角對應(yīng)的像即為入射光瞳，入射光瞳對應(yīng)的共軛物即為孔徑光闌。5.1孔徑光闌確定孔徑光闌的方法當(dāng)實際光組中有多個光闌時，確定方法為：⑴：各個光學(xué)孔徑成像到物空間；⑵：由物點向光闌像邊緣引光線，找出光線與光軸的夾角；⑶：夾角最小者所對應(yīng)的光闌即為孔徑光闌。確定方法可以通過圖解法，也可以通過解析法。當(dāng)實際光組中有多個光闌時，確定方法為：⑴：各個光學(xué)孔徑成像到EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013例已知一光學(xué)系統(tǒng)由三個零件組成，透鏡1其焦距

f1′=-f1=100mm，口徑D1=40mm；透鏡2的焦距f2′=-f2=120mm，口徑D2=30mm，它和透鏡1之間的距離為d1=20mm；光闌3口徑為20mm，它和透鏡2之間的距離d2=30mm。物點A的位置L1=-200mm，試確定該光組中，哪一個光孔是孔徑光闌。

F1,F2EngineeringOpticsDr.F.Gu圖解法為了使各光闌和物點A產(chǎn)生直接聯(lián)系，把它們?nèi)砍上竦轿锟臻g去。圖解法為了使各光闌和物點A產(chǎn)生直接聯(lián)系，把它們?nèi)砍上竦轿锟沼晌稂c向各個像邊緣引光線，得到夾角最小者所對應(yīng)的光闌即為孔徑光闌。D’1D’2D’3由物點向各個像邊緣引光線，得到夾角最小者所對應(yīng)的光闌即為孔徑EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013

光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌只是對一定位置的物體而言的如果物體位置發(fā)生變化，原來限制光束的孔徑光闌將會失去限制光束的作用，光束會被其他光孔所限制。

對于無限遠的物體，光學(xué)系統(tǒng)的所有光孔被其前面的光學(xué)零件在物空間所成的像中，直徑最小的一個光孔像就是系統(tǒng)的入瞳。EngineeringOpticsDr.F.Gu在對目視儀器，人眼瞳孔起著限制光束的作用。因此，應(yīng)確保光`學(xué)系統(tǒng)的出瞳和人眼瞳孔在位置上重合，大小也應(yīng)匹配合適。合理選擇孔徑光闌的位置可以改善軸外點成像質(zhì)量。在對目視儀器，人眼瞳孔起著限制光束的作用。因此，應(yīng)確保光`學(xué)5.1孔徑光闌

相對孔徑:入射光瞳直徑/系統(tǒng)焦距,.相對孔徑A越大，表明能進入系統(tǒng)的光能也越多.而照相機，則常用另一個術(shù)語—光闌指數(shù)，用f來表示，它是相對孔徑的倒數(shù)，即F數(shù)(f-Number):相對孔徑倒數(shù).5.1孔徑光闌相對孔徑:入射光瞳直徑/系統(tǒng)焦5.1孔徑光闌F數(shù)(f-Number):f/1,1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22D增加通光面積增加2,時間減少25.1孔徑光闌F數(shù)(f-Number):f/1,5.1孔徑光闌f/32–smallapertureandslowshutterspeedf/2–largeapertureandfastshutterspeed5.1孔徑光闌f/32–smallaperture5.2視場光闌視場光闌:起限制成像范圍的光孔或框.5.2視場光闌視場光闌:起限制成像范圍的光孔或框.EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.2視場光闌視場光闌:起限制成像范圍的光孔或框.有成實像或有中間實像的系統(tǒng)中必有位于此實像平面上的視闌.視場入射窗:視場光闌被其前面的光學(xué)鏡組在物空間所成的像.視場出射窗:視場光闌被其后面的光學(xué)鏡組在像空間所成的像.入射窗必與物面重和,出射窗必與像面重和.

光學(xué)系統(tǒng)的成像范圍是有限的。照相機中底片框限制了被成像范圍的大小.EngineeringOpticsDr.F.Gu5.2視場光闌物方視場角:入射窗的邊緣對入瞳中心的張角.像方視場角:出射窗的邊緣對入瞳中心的張角.若物位于無窮遠,物方視場的大小以物方視場角表示5.2視場光闌物方視場角:入射窗的邊緣對入瞳中心的張角.一、視場光闌的確定方法：（2）確定孔徑光闌；（1）用計算法或作圖法求每一光闌被它前面光組在物空間所成的像；⑶由入瞳中心向各光闌在物空間所成的像的邊緣引光線，夾角最小者所對應(yīng)的光闌即為視場光闌。一、視場光闌的確定方法：（2）確定孔徑光闌；（1）用計算法或求上例中光組的視場光闌。

f1′=-f1=100mm，D1=40mm；f2′=-f2=120mm，D2=30mm，d1=20mm；

D3=20mm，d2=30mm，L1=-200mmD1D2D3F1,F2求上例中光組的視場光闌。D1D2D3F1,F2求出系統(tǒng)每一個光闌被它前面光組在物空間所成的像（此步驟在求孔徑光闌時已經(jīng)進行）

D3（孔徑光闌）D2'D1D1'D2F1'F2'D3'33.33w1w2w3求出系統(tǒng)每一個光闌被它前面光組在物空間所成的像（此步驟在求孔D1′

對入瞳中心的張角為D2′

本身是入瞳，D3′對入瞳中心的張角為D3′對入瞳中心的張角最小，故光闌3是視場光闌。D1′對入瞳中心的張角為EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013入窗限制物空間的可成像范圍出窗限制像空間的成像范圍入窗和出窗共軛。EngineeringOpticsDr.F.Gu物方視場角：在物空間中，入窗邊緣對入瞳中心的張角2像方視場角：在像空間中，出窗邊緣對出瞳中心的張角2半視場角與也可以表示光組視場的大小，因此常把與稱為視場角。物方視場角：在物空間中，入窗邊緣對入瞳中心的張角2像方視場視場光闌是對一定位置的孔徑光闌而言的。當(dāng)孔徑光闌位置改變時，原來的視場光闌將可能被另外的光孔所代替。盡量使入窗與物面重合，或像平面與出窗重合——不產(chǎn)生漸暈的必要條件。視場光闌總是設(shè)置在系統(tǒng)的物面、實像平面或中間實像平面上。如顯微鏡、望遠鏡、照相機等都是安置在像面上，投影儀、放映機則位于物面上，視場光闌的大小分別為像面大小或是物面大小，個別儀器除外（如放大鏡和伽利略望遠鏡等）視場光闌是對一定位置的孔徑光闌而言的。當(dāng)孔徑光闌位置改變時，EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013兩種光闌作用的比較對孔徑光闌與視場光闌孔徑光闌限制成像光束的孔徑，即決定像的照度、分辯率。視場光闌決定視場，即物體成像的范圍?？讖焦怅@縮小時，每一物點成像光束孔徑角變小，像面照度減小，但成像范圍不變視場光闌縮小時，成像范圍變小，但能成像物點的孔徑角不變，即像的照度不變。EngineeringOpticsDr.F.Gu為了改善軸外點的成像，常有意識地縮小某一、二個透鏡直徑，擋去一部分成像光線，這種被縮小直徑的透鏡或光孔造成圖像邊緣通光下降稱為漸暈。5.3漸暈光闌(VignettingStop)為了改善軸外點的成像，常有意識地縮小某一、二個透鏡直徑，擋去5.3漸暈光闌(VignettingStop)軸外光束的漸暈由軸外物點發(fā)出的充滿入瞳的光束中部分光線被其他光孔阻擋的現(xiàn)象叫軸外光束的漸暈——軸上與軸外物點成像光束大小不同的現(xiàn)象。B點發(fā)光--》充滿入瞳--》L1與L2攔光--》B點成像光束較A點少--》B點暗淡--》圖像邊緣模糊徑闌入瞳出瞳5.3漸暈光闌(VignettingStop)軸外光束的EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring20135.3漸暈光闌(VignettingStop)軸外光束的漸暈此時,形成B圖像的光束決定于鏡框L

2.鏡框L

2稱為漸暈光闌.漸暈光闌通過它前面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像:漸暈入射窗.漸暈光闌通過它后面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像:漸暈出射窗徑闌入瞳出瞳EngineeringOpticsDr.F.Gu5.3漸暈光闌5.3漸暈光闌5.3漸暈光闌/optics/vignetting.html5.3漸暈光闌5.3漸暈光闌入窗（出窗）與物（像）面不重合---》產(chǎn)生漸暈略去透鏡和其他光孔,僅畫出物平面、入瞳平面和漸暈光闌（與視場光闌重合）在物空間的像。在物面上按其成像光束孔徑角的不同,可分為三個區(qū)域:5.3漸暈光闌入窗（出窗）與物（像）面不重合---》產(chǎn)生漸5.3漸暈光闌以AB1為半徑的圓形區(qū),每個點均以充滿入瞳的全部光束成像.此區(qū)之邊緣點Ｂ1由入射光瞳的下邊緣P2和入射窗下邊緣M2的連線確定.

5.3漸暈光闌5.3漸暈光闌以B1B2繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)域中,每一點不能用充滿入瞳的光束成像.由B1到B2,能通過入射光瞳的光束由100%到50%漸變,這就是軸外漸暈.

5.3漸暈光闌以B1B2繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)5.3漸暈光闌以B2B3繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)域中,各點的光束漸暈更嚴(yán)重.由B2到B3,漸暈系數(shù)由50%降到0.B3是可見勢場最邊緣點.由入射光瞳邊緣點P1和入射窗下邊緣點M2連線決定.

5.3漸暈光闌以B2B3繞光軸旋轉(zhuǎn)一周的環(huán)行區(qū)域.在此區(qū)5.3漸暈光闌用漸暈系數(shù)描述光束漸暈的程度.

軸外點能通過光學(xué)系統(tǒng)的成像光束在入(出)瞳面上的截面積與入(出)瞳面積之比稱面漸暈系數(shù)；軸外點能通過光學(xué)系統(tǒng)成像的子午光束(即含軸面內(nèi)光束)在入(出)瞳面上的線度與入(出)瞳面直徑之比為線漸暈系數(shù)。

5.3漸暈光闌用漸暈系數(shù)描述光束漸暈的程度.5.3漸暈光闌不存在漸暈的條件不存在漸暈,則B1B3=0,q=p漸暈入射窗和物平面重合(或漸暈出射窗和像平面重合)入射窗和物平面重合:成為視場入射窗5.3漸暈光闌不存在漸暈的條件不存在漸暈,則B1B35.4遠心光學(xué)系統(tǒng)5.4遠心光學(xué)系統(tǒng)EngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013二、遠心光路

1、孔徑光闌在物鏡上(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準(zhǔn)：2)由于調(diào)焦不精確，引起像平面和標(biāo)尺平面不重合，從而導(dǎo)致測量誤差。1)入瞳與物鏡邊框重合；EngineeringOpticsDr.F.GuEngineeringOpticsDr.F.GuoQingdaoTECHSpring2013遠心光學(xué)系統(tǒng)2、孔徑光闌在物鏡的像方焦平面上1)入瞳位于物方無窮遠。A和A1、B和B1的主光線分別重合，且軸外點的主光線平行于主軸。3)主光線是物點成像光束的中心軸，則物點A1B1在刻尺平面構(gòu)成的兩個彌散斑的中心間隔始終不變。——

物方遠心光路

(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準(zhǔn)：EngineeringOpticsDr.F.Gu場鏡的特性及其應(yīng)用

可以減少目鏡的口徑場鏡場鏡的特性及其應(yīng)用可以減少目鏡的