光学系统中的光阑与光束限制.pptx

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1、 以前主要讨论理想光学系统的特性：理想光学系统不仅可以实现点对点成像，而且可以对任意物以任意宽的光束给出某一定倍率的像。当共轭距一定时，物的大小与像的大小成比例。但实际光学系统的成像光束将会受到限制。透镜的大小和像面的大小有限，从而限制了成像光束的宽度和成像范围。第四章 光学系统中的光阑(Stops)第1页/共93页透镜的大小限制A点发出的成像光束的孔径角，底片的大小限制成像范围，它们都是对光束的限制，称为光阑。第2页/共93页光阑限制的共轭原理DDPDDPMNNM结论：光阑（或其像）对入射光束的限制与光阑的像（或光阑）对其共轭出射光束的限制，两者完全等价。如果任意入射线PM与DD的边框部分相

2、交，其共轭出射线必被DD阻挡；同理，另一入射线PN能“通过”DD，其共轭出射线必能通过DD。第3页/共93页概述一、光阑的概念 光阑起限制成像光束作用的透光孔。孔径光阑限制轴上点成像光束中边缘光线的最大倾角（孔径角）视场光阑限制物平面或物空间能被系统成像的最大范围（视场）渐晕光阑限制物空间轴外点发出的、本来能通过上述两种光孔的成像光束消杂光光阑限制杂散光（从视场外射入系统，或由镜头内部的光学表面、金属表面及镜座内壁的反射和散射所产生）所有光学系统都有第4页/共93页二、光阑的位置一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有 视场光阑孔径光阑随系统而异，目视光学系统要求孔阑或孔阑的像一定要在外面，以

3、与眼瞳重合；远心光学系统要求孔阑在焦面上。其他无特殊要求的可以选择。渐晕光阑位置可选择，以改善成像质量，与视场光阑二者必有其一 消杂光光阑位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有 第5页/共93页孔径光阑 A.S.的作用：限制成像光束口径控制到达像面的光能视场光阑 F.S.的作用：限制物面上能成像的范围限制视场的大小三.孔径光阑和视场光阑第6页/共93页第一节 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第7页/共93页 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束宽度的限制作用；

4、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。第8页/共93页 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。（a）物点有限远第9页/共93页L1M1N1M2N22（b）物点无限远 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。第10页/共93页第11页/共93页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

5、像（像空间）照相机镜头中的孔径光阑第12页/共93页孔径光阑孔径光阑物像关系后面光学系统入瞳出瞳孔径光阑前面光学系统整个光学系统第13页/共93页 孔径光阑、入瞳与出瞳出瞳 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。第14页/共93页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

6、值最大的折射面的边框为透镜组的孔径光阑。孔径光阑的求法第15页/共93页 成像张角比较法：a.将光学系统所有光阑（各个透镜和光圈等），对其前面 的光学系统（物空间）成像，求像之大小和位置；b.由物位置（轴上点）向各像边缘、第一个透镜边缘分别 作连线，求张角最小值即为入瞳，相应的共轭物为孔径 光阑；c.孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。第16页/共93页例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。ABAB12解：

7、判断孔径光阑：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：2第17页/共93页ABAB123）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第18页/共93页(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。第19页/共93页 理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中

8、心理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。4、主光线（Chief 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。第20页/共93页二、视场光阑(Field Stops)1、视场光阑:定义：在物/像面上安放的、限定光学系统成像范围的光阑。物方视场：能够清晰成像的物面范围；像方视场：相应的能够清晰成像的像面范围；2、入射窗与出射窗入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）第21页/共93页物方视场角像方视场角3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。第

9、22页/共93页物方线视场2y像方线视场2y长度度量：角度度量：物方视场角2 像方线视场2 4.视场表示方法：孔阑PP出瞳入瞳出窗入窗视场光阑主光线主光线第23页/共93页5.确定视场光阑的方法：讨论条件：孔阑、入瞳、出瞳均为无穷小（特殊情况），轴上轴外物点均只有一条主光线经过光学系统成像。1）首先用寻找入瞳、孔阑的方法寻找到入瞳、孔阑。2）将所有除孔阑外的光孔经其前方光组成像到物空间，求出每个光孔像的位置和大小。3）各光孔像中，对入瞳中心张角最小者，像本身为入射窗，像对应的实际光孔即为视阑。视阑经过后方光组成在像空间的像即为出射窗。第24页/共93页5.确定视场光阑的方法：第25页/共93页

10、照相机书写式投影仪显微镜、望远镜第26页/共93页孔径光阑和视场光阑的区别：v孔径光阑和视场光阑是光学系统中起重要作用的两种光阑，但二者所起作用不同，前者主要限制成像光束的孔径，即决定像的照度；后者决定视场，即物体被成像的范围。v孔径光阑缩小时，每一物点成像光束孔径角变小，像面照度减小，但成像范围不变v 视场光阑缩小时，成像范围变小，但能成像物点的孔径角不变，即像的照度不变。v 孔径光阑是对一定位置的物体而言的，而视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的，当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替。第27页/共93页一、入射窗与物平面不重合产生渐晕渐晕现象：轴外点发出的充满入瞳的

11、光被透镜的通光口径所拦截的现象第28页/共93页1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。（渐晕光阑）透镜边框起到“拦光”的作用。三、渐晕光阑（Vignetting stop）2、渐晕系数:斜光束在入射光瞳平面上垂直于光轴方向的宽度或面积 面渐晕系数：线渐晕系数：第29页/共93页3、渐晕现象产生原因：入射窗与物平面不重合产生渐晕第30页/共93页1）以AB1为半径的圆形区域：B1点是由入射光瞳的下边缘P2与入射窗的下边缘M2的连线与物平面的交点。在这个区域内每个点均以充满入射光瞳的全部光束成象。2）以B1B2绕光轴旋转一周所形成的环形区域：B2点是由入射光瞳中心P和入射窗的下边缘M2的

12、连线与物平面相交确定的。在此区域内，已不能使所有点以充满入射光瞳的光束通过光学系统成象，这就是轴外点的渐晕。在物面上的整个成像范围内，随着成像光束的不同，可分为三个区域：由B1到B2点，线渐晕系数由1降到0.5线渐晕系数为13）以B2B3绕光轴旋转一周所得到的环形区域：点B3是由入射光瞳的上边缘P1和入射窗的下边缘的连线和物平面相交确定的。由B2点到B3点，线渐晕系数由0.5降到0。第31页/共93页说明：1）轴上点均能以充满入瞳的全光束成像。2）入瞳为无穷小时，成像范围由入瞳中心和入窗边缘连线决定。3）入瞳为有限大小时，成像范围由入瞳边缘和入窗边缘连线决定。4）轴外点从某一视场范围开始，通过

13、光学系统的成像光束要比轴上光束少，并逐渐递减，直至光照度为零。第32页/共93页4、消除渐晕的条件：（必要条件）由上式可知，欲使渐晕区B1B3为零，需使p=q，即消除渐晕的条件是：入射窗和物平面重合，出射窗和象平面重合。在有的光学系统中，不存在实像平面，视场光阑无法与像平面重合，这种系统的视场边缘存在一个由亮到暗的过渡区域，没有清晰的视场边界。第33页/共93页例题：有一光阑其孔径为2.5厘米，位于透镜前1.5厘米处，透镜焦距为3厘米，孔径4厘米。长为1厘米的物位于光阑前6厘米处，求：（1）入射光瞳和出射光瞳的位置及大小 （2）像的位置，并作图 因光阑前无透镜，直接比较光阑及透镜对物的张角，可

14、知光阑即入射光瞳。出射光瞳是这光阑被其后面透镜所成的像。解：第34页/共93页光阑(入瞳 )PQQPFyy瞳出O已知：l=-1.5 cm，f=3cm(1)出射光瞳的位置(1)第35页/共93页光阑(入瞳 )PQQPFyy瞳出O(2)像的位置:已知：l=-(6+1.5)cm，f=3cm第36页/共93页第37页/共93页第38页/共93页第二节 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）第39页/共93页轴上物点：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

15、束的空间位置不同，成 像质量不同。轴外光束决定 孔径光阑的位置假设：透镜口径足够大 MNMNAA第40页/共93页1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。2、渐晕系数:（渐晕光阑）透镜边框起到“拦光”的作用。二、渐晕现象 第41页/共93页 三、照相系统的光阑总结3、感光底片边框，即视场光阑；1、根据轴外光束的像质选择孔径光阑位置；2、轴外点成像光束宽度取决于孔径光阑、渐晕光阑均有关；4、孔径光阑一般为圆形，视场光阑为圆形或者矩形。孔径光阑在物镜中的位置第42页/共93页说明：入瞳大小的确定入瞳大小是由光学系统对成像光能量的要求或者对物入瞳大小是由光学系统对成像光能量的要求或者对物体细

16、节的分辨能力的要求确定的。体细节的分辨能力的要求确定的。相对孔径相对孔径：入瞳直径和焦距之比。：入瞳直径和焦距之比。表示入瞳大小表示入瞳大小。在照相系统中，以在照相系统中，以光阑指数光阑指数（F F数，俗称光圈）来表数，俗称光圈）来表示入瞳大小，是相对孔径的倒数。示入瞳大小，是相对孔径的倒数。显微物镜的入瞳用数值孔径表示。显微物镜的入瞳用数值孔径表示。第43页/共93页相对孔径光圈指数（F数）第44页/共93页1,物镜胶合透镜.2,下棱镜.3,上棱镜.4,玻璃窗.5,感光屏.6,荧光粉.7,分划板.8,目镜组.9,橙色滤光镜.所有玻璃组:玻璃目镜第一五透镜.目镜后胶合透镜.目镜前胶合透镜.物镜

17、第一透镜.物镜第二透镜.第45页/共93页第46页/共93页第47页/共93页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：第二章第48页/共93页 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、构成转像物镜、目镜的共同焦面上第49页/共93页2、光学参数视觉放大率：视场角：物镜焦距：目镜焦距：出瞳直径：出瞳距离：望远镜系统简化图与人眼联用,满足光瞳衔接原则第50页/共93页分划板望远镜系统简化图分划板分划板的作用：第51页/共93页3、分划板 分划板位于物、目两镜的共同焦面上：入射窗、出射窗均

18、在无穷远处，分别与物、像面重合。望远镜系统简化图出瞳入瞳视场光阑第52页/共93页1）物镜的左侧10mm；2）物镜上；3）物镜右侧10 mm。2、孔径光阑的位置：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 的投射高度第53页/共93页1）光阑在物镜的左侧10mm：正切计算法第54页/共93页2）光阑在物镜上：正切计算法第55页/共93页3）光阑在物镜右侧10mm：正切计算法第56页/共93页三、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

19、阑大致在物镜左右；4、光阑位置对轴外光束位置的选择(1)(1)(2)(3)(3)(2)第57页/共93页 第四节 显微镜系统中的光束限制与分析 一、简单显微镜系统中的光束限制 1、显微镜系统的构成2、成像关系3、光束限制第58页/共93页第59页/共93页二、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；第60页/共93页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。2)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。3)主光线是物点成像光束的中心轴，则物

20、点A1 B1在刻尺平面构成的两个弥散斑的中心间隔始终不变。物方远心光路(a)测距原理：(b)调焦不准：第61页/共93页数码测量显微镜第62页/共93页三、场镜的应用 缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径 必须非常大。-1透镜转像系统：加长光路。1、长光路显微镜系统第63页/共93页 2、降低主光线，减小后续光路口径的办法-1转像系统 场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。？效果：主光线经场镜后通过-1转像透镜中心，从而对后面系统的口径要求最小。场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。实际设计：在-1转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。第64页/共93页四、显微镜系统光束选择的总

21、结1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；4、长光路显微镜系统：利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，减小光学零件尺寸。2、一次实像面处安放视场光阑；3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上 物方远心光路第65页/共93页第五节 光学系统的景深同一位置不同景深的效果第66页/共93页一、光学系统的空间像对准平面景像平面共轭1、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。第67页/共93页 以以入瞳中心入瞳中心为投影中心，以各空间点的为投影中心，以各空间点的主光线主光线为投影方向，向为投影方向，向对准平面对准平面投影，对应投影点在景象平投影，对应投影点在景象平面上的面上的共轭点共轭点即为空间点的平面像。即

22、为空间点的平面像。平面上的空间像的获得：对准平面外的空间点，在景像平面产生一个弥散斑。弥散斑的直径与入瞳直径、与景像平面的距离有关。或：在像空间以出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的主光线为投影方向，各空间像点向景像平面投影，可得空间点的平面像。第68页/共93页 投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。2、透视失真第69页/共93页 3、景像畸变第70页/共93页 二、光学系统的景深远景平面近景平面入瞳中心：物空间参数的起算原点 出瞳中心：像空间参数的起算原点 成像空间的景深：在景象平面上所获得的成清晰像的物空间深度。第71页/共93页对准平面的弥散斑直径：景像平面的弥散斑直径：由相似三角

23、形得：两个因素：观测距离、极限分辨角第72页/共93页眼睛以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的张角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。tg=y/p=tg=y/D 则得：D=y/p=p 景像面上的弥散斑的允许值z=z1=z2=D=p第73页/共93页对准平面上对应弥散斑的允许值：远景、近景到对准平面的距离：远景、近景到入瞳的距离：第74页/共93页眼睛2a物方孔径角U：轴上物点-入瞳边缘连线与光轴的夹角。第75页/共93页例：照相机的原理图第76页/共93页光圈大小对于景深的影响第77页/共93页 有效光阑起着限制成像光束口径大

24、小的作用，他影响到空间成像的景深和焦深。景 深焦 深结 论：孔径光阑越小，成像光束越细，景深和焦深越长；反之亦反。但是，若孔径光阑孔径太小则像的分辨率也要下降。第78页/共93页孔径光阑孔径光阑光圈光圈相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之比)第79页/共93页例1：现有一照相机，其物镜f=75mm，现以常摄距离p=3m进行拍摄，光圈的相对孔径D/f(入瞳直径与焦距之比)分别采用1/3.5和1/22，试分别求其景深。解：第80页/共93页F/3.5不同光圈的效果F/11F/32第81页/共93页1、使对准平面前的整个空间都能在景像平面上成清晰像：即，远景深度：三、特例景深：自入瞳前距离a/处的平面起

25、至无限远。（对准平面）近景位置：第82页/共93页 2、照相物镜调焦到无限远：END4景深：自入瞳前距离2a/处的平面起至无限远。（对准平面）近景位置：第83页/共93页（一）长景深的照片第84页/共93页第85页/共93页第86页/共93页第87页/共93页（二）短景深照片第88页/共93页第89页/共93页第90页/共93页第91页/共93页 景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)：(1)、镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；(2)、镜头焦距镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；(3)、拍摄距离距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。第92页/共93页感谢您的观看！第93页/共93页