第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制

第四章光學(xué)系統(tǒng)中的光闌和光束限制第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五一、光闌光闌：限制成像光束的光孔，或者是限制成像范圍的光孔或金屬框,可分為孔徑光闌和視場光闌。§4.1光闌L：照相鏡頭A：可變光闌B：感光底片圖4-1照相系統(tǒng)簡圖光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用：決定能通過光學(xué)系統(tǒng)的光束；決定系統(tǒng)的視場；限制光束中偏離理想位置最大的一些光線，以改善成像質(zhì)量；攔截系統(tǒng)中有害雜散光；第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五二、孔徑光闌孔徑光闌：限制軸物點(diǎn)成像光束寬度、并有選擇軸外 物點(diǎn)成像光束位置作用的光闌1、定義(2)孔徑光闌對軸外點(diǎn)成像光束的選擇（圖4-3）2、孔徑光闌的位置對選擇光束的作用(1)孔徑光闌對軸上點(diǎn)光束的限制（圖4-2）可以是系統(tǒng)中某個(gè)透鏡的鏡框，也可以是專門設(shè)置的光闌。第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五-uu’-uu’-uu’-uu’圖4-2孔徑光闌對軸上物點(diǎn)光束的限制第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-3孔徑光闌位置對軸外點(diǎn)成像光束的選擇AABC第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五入射光瞳（簡稱入瞳）：入射光線的入口。

孔徑光闌經(jīng)其前面的透鏡在光學(xué)系統(tǒng)物空間所成的像。出射光瞳（簡稱出瞳）：出射光線的出口。

孔徑光闌經(jīng)其后面的透鏡在光學(xué)系統(tǒng)像空間所成的像。主光線：

通過入瞳中心的光線。

主光線（或其延長線）必須通過入瞳、孔徑光闌、出瞳的中心。3、入射光瞳和出射光瞳（圖4-4）第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-4入瞳與出瞳主光線第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五入瞳孔徑光闌（出瞳）第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五4、孔徑光闌位置及安放原則孔徑光闌的安置通常和物鏡鏡框重合或在物鏡附近，這可使同樣孔徑角的情況下，物鏡的尺寸較小。ABUmax入瞳BAUmax入瞳ABUmax入瞳第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五三、視場光闌及入射窗、出射窗（圖4-6）入射窗：視場光闌經(jīng)其前面的光組在物空間所成的像出射窗：視場光闌經(jīng)其后面的光組在像空間所成的像視場角：軸外點(diǎn)主光線與光軸間的夾角。

物方視場角：在物空間，入射窗邊緣對入瞳中心所張的角度。

像方視場角：在像空間，出射窗邊緣對出瞳中心所張的角度。能清晰成像的物面范圍稱為光學(xué)系統(tǒng)的物方視場，相應(yīng)的像面范圍稱為像方視場。視場光闌：限制成像范圍的光闌第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-6入射窗與出射窗第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-7照相系統(tǒng)簡圖L：照相鏡頭A：可變光闌B：感光底片§4.2照相系統(tǒng)中的光闌第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-8孔徑光闌對軸上點(diǎn)光束的限制第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-9a可變光闌對成像光束的影響第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-10孔徑光闌對軸外點(diǎn)光束的限制a)b)光闌處于A’位置時(shí)所需的透鏡口徑要比處于A位置的透鏡口徑大第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五DDω圖4-11軸外光束的漸暈K=Dw/D漸暈光闌漸暈系數(shù)：斜光束在子午面內(nèi)光束寬度與軸上點(diǎn)光束的口徑之比：漸暈：由于軸外斜光束寬度小于軸上點(diǎn)光束寬度，而引起像平面邊緣部分比像中心暗的現(xiàn)象第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五照相光學(xué)系統(tǒng)小結(jié)：

根據(jù)軸外光束的像質(zhì)來選擇孔徑光闌的位置。在有漸暈的情形下，軸外點(diǎn)光束的寬度不僅由孔徑光闌的口徑?jīng)Q定，而且與漸暈光闌的口徑有關(guān)。在照相光學(xué)系統(tǒng)中，感光底片的框子就是視場光闌?？讖焦怅@的形狀一般為圓形，視場光闌的形狀為圓形或矩形。首頁第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五§4.3望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇一、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：（圖4-7）二、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光束限制：光瞳銜接原則：（圖4-8）前面系統(tǒng)的出瞳和后面系統(tǒng)的入瞳重合2.孔徑光闌在不同位置處的計(jì)算

（1）物鏡左側(cè)10mm；（2）物鏡上；（3）物鏡右側(cè)10mm;第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-12雙目望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)視角放大率：Г=6X視場角：2ω=8o30′出瞳直徑：D’=5mm出瞳距離：lz’≥11mm物鏡焦距：f物’=108mm目鏡焦距：f目’=18mm第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-13望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)簡化圖第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：第一個(gè)光組的像方焦點(diǎn)F1’與第二個(gè)光組的物方焦點(diǎn)F2重合，（Φ=0，無焦系統(tǒng)）

f1’＞f2’垂軸放大率望遠(yuǎn)系統(tǒng)的垂軸放大率與物體所處位置無關(guān)第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五表4-1通光口徑闌位D物D棱D分D目l’z(1)31.531.5>D棱>161623.520.5(2)3030>D棱>161623.721(3)31.631.6>D棱>16162421.3在第二種位置時(shí)，即將物鏡框作為系統(tǒng)的孔徑光闌，物鏡口徑最小。第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五選擇望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)成像光束位置的基本原則：1、首先根據(jù)系統(tǒng)光學(xué)特性（D/f’、f’）的要求，對軸上點(diǎn)邊緣光線進(jìn)行光路計(jì)算，從而確定軸上點(diǎn)邊緣光線在系統(tǒng)中每個(gè)光學(xué)零件或光瀾上的口徑，這些軸向光束口徑是為保證光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)特性，系統(tǒng)中各個(gè)光學(xué)零件所必需的最小口徑。2、一般情況下，使軸外光束的主光線，通過軸向光束口徑最大的光學(xué)零件或光瀾的中心，即一般情況下軸向光束口徑最大的孔或框作為孔徑光瀾。根據(jù)這一原則望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中通常把孔徑光瀾選在物鏡框上。軸外點(diǎn)成像光束位置確定后，計(jì)算邊緣視場上、下邊緣光線，以確定各個(gè)光學(xué)零件的實(shí)際通光口徑第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)小結(jié)：

兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用時(shí)，一般應(yīng)滿足光瞳銜接原則。目視光學(xué)系統(tǒng)的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的孔徑光闌在物鏡左右，盡量減小光學(xué)零件的尺寸和體積。分劃板框是望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視場光闌。第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五[例1]

6×雙目望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，物鏡焦距為108mm，物鏡口徑為30mm，目鏡口徑為20mm，如果系統(tǒng)中沒有視場光瀾，問該望遠(yuǎn)鏡最大極限視場角等于多少？漸暈系數(shù)K=0.5時(shí)的視場角等于多少？

ωmax極限視場角是剛剛能進(jìn)入系統(tǒng)一條光線時(shí)所對應(yīng)的視場角。CDB’f’物f’目第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五§4.4顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制與分析一、簡單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制：（圖4-11）二、遠(yuǎn)心光路：

1.顯微鏡的測長原理：2.孔徑光闌的位置對測量誤差的影響：（圖4-12)3.物方遠(yuǎn)心光路及其特點(diǎn)：入瞳位于無窮遠(yuǎn)，軸外點(diǎn)主光線平行于光軸；第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五--y-L21'''fLftgtgD-==Gωω

顯微鏡的成像原理：

物體對人眼的張角AA’B’y’F2F’1△

-y物鏡目鏡教材P31--P32第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-14顯微鏡系統(tǒng)光路一般觀察顯微鏡中，顯微物鏡上的軸向光束口徑最大，通 常把孔徑光瀾選在物鏡框上第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-15遠(yuǎn)心光路測量顯微鏡中，當(dāng)孔徑光闌位于物鏡像方焦平面時(shí)，可以矯正由于調(diào)焦不準(zhǔn)而帶來的測量誤差物方遠(yuǎn)心光路：入瞳位于物方無限遠(yuǎn)，軸外點(diǎn)的主光線平行于光軸第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五B1’B2A2B1B2’物方遠(yuǎn)心光路由于入瞳在無限遠(yuǎn)，物方主光線平行于光軸，故稱之為物方遠(yuǎn)心光路，它可以消除因調(diào)焦不準(zhǔn)而引起的誤差，從而提高了測量精度。A1B2B1M1M2孔徑光闌F’第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五像方遠(yuǎn)心光路B2M2M1B2’B1’B1孔徑光闌（入瞳）F出瞳位于像方無限遠(yuǎn)處，平行于光軸的像方主光線在無限遠(yuǎn)處會聚于出瞳中心，此光路稱為像方遠(yuǎn)心光路。常用在大地測量儀器中，以提高測距精度；也常用在照明系統(tǒng)中，以使它與成像系統(tǒng)的物方遠(yuǎn)心光路相配合。第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五三、場鏡的應(yīng)用場鏡：和像平面重合或者和像平面很靠近的透鏡。作用：壓低光線，減小后續(xù)光路的通光口徑在一些連續(xù)成像的組合系統(tǒng)中經(jīng)常采用場鏡。當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)組合在一起成像時(shí)，為了使前一個(gè)系統(tǒng)出射光線都能進(jìn)入后一個(gè)系統(tǒng)，而又不使后一個(gè)系統(tǒng)的通光口徑過大，就需在中間像平面上加入一個(gè)場鏡。第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)小結(jié)：

一般顯微鏡系統(tǒng)，孔徑光闌置于顯微物鏡上，視場光闌置于一次實(shí)像面處。

顯微系統(tǒng)用于測長時(shí)，孔徑光闌置于顯微物鏡的像方焦平面處，以消除測量誤差。

在長光路系統(tǒng)中，常利用場鏡達(dá)到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，以減小光學(xué)零件的口徑。首頁第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五§4.5光學(xué)系統(tǒng)的景深一、光學(xué)系統(tǒng)的空間像：1.空間中的物點(diǎn)成像：(圖4-16)2.光瞳對成像的影響：透視失真3.視場對成像的影響：景象畸變把空間中的物點(diǎn)成像在一個(gè)像平面上，稱為平面上的空間像。如望遠(yuǎn)鏡、照相物鏡物方空間點(diǎn)在平面上成像：以入射光瞳中心點(diǎn)為透視中心，以主光線為投影線，使空間點(diǎn)投影在對準(zhǔn)平面上，則投影點(diǎn)在景像平面上的共軛點(diǎn)便是空間的平面像。第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-16光學(xué)系統(tǒng)的空間像景象平面對準(zhǔn)平面ab或a’b’的大小與入射光瞳的直徑有關(guān)，當(dāng)入射光瞳直徑小到一定程度時(shí)，彌散斑ab可看作一個(gè)點(diǎn)，其共軛像a’b’也可看作一個(gè)點(diǎn)第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五對準(zhǔn)平面入射光瞳出射光瞳景像平面S1S2S1’S2’APP’A’對準(zhǔn)平面入射光瞳出射光瞳景像平面S1S2S1’(S2’)APP’A’透視失真移動入射光瞳的位置投影中心前后移動，投影像的變化和景物不成比例第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五景像畸變?nèi)肷涔馔錾涔馔玃P’-ω2-ω

1-ω’2-ω’1第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五二、光學(xué)系統(tǒng)的景深概念：（圖4-18）景深Δ：能在景象平面上獲得清晰像的空間深度遠(yuǎn)景深度Δ1

：遠(yuǎn)景平面與對準(zhǔn)平面的距離近景深度Δ2：近景平面與遠(yuǎn)景平面的距離正確透視的條件：

照片上的各像點(diǎn)對眼睛的張角與直接觀察該空間物體時(shí)各對應(yīng)點(diǎn)對眼睛的張角相等。（圖4-19）2.景深第三十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-18景深概念遠(yuǎn)景平面近景平面P2’P1’第三十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五z1、z1’---B1在對準(zhǔn)平面和景象平面上彌散斑的直徑z2、z2’---B2在對準(zhǔn)平面和景象平面上彌散斑的直徑由此可見，景象平面上的彌散斑大小除與入射光瞳直徑有關(guān)外，還與距離p，p1，p2有關(guān)z1’=2βa

z2’=2βa

第四十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五圖4-19正確透視正確透視的條件：照片上的各像點(diǎn)對眼睛的張角與直接觀察該空間物體時(shí)各對應(yīng)點(diǎn)對眼睛的張角相等。正確透視距離第四十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期五正確透視的條件：

景象平面上像y’對眼睛的張角ω’應(yīng)與物空間的共軛物y對入射光瞳中心p的張角ω相等。即tgω==tgω’=對應(yīng)于對準(zhǔn)平面上彌散斑的允許值為：z’=z1’=z2’=Dε=βpε景像平面上或照片上彌散斑直徑的允許值為：z=z1=z2=pε第四十二