工程光学第五章

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通常用渐晕系数表示渐晕严重的程度:
面渐晕系数=轴外点通过系统的光束面积/轴上点通过 系统的光束面积 线渐晕系数=轴外点通过系统的光束直径/轴上点通过 系统的光束直径
入瞳 P1 视场光阑
D KD D0
P2
D0 Dw
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2. 视场光阑与物像面不重合时的视场计算 视场光阑与物像面不重合时必然产生渐晕,从 视场中心向外垂轴物面上的渐晕系数值逐点下降, 此时所说的成像范围是指达到或超过某个渐晕系 数值的视场范围,例如渐晕系数为0.5的视场范围。
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zp 1 p1 p D z zp 2 p p2 D z 1 2 2 Dzp 2 D z
2 2
z′的数值由接收器的分辨 力决定。当z′确定后, (1)入瞳直径↑,景深↓; (2)对准平面距离↑,景深↑, (3)放大率↑,景深↓
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这样一种和像平面重合,或者和像平面很靠近的
透镜称为“场镜”。由以上讨论可知,场镜能够 改变成像光束的位置,从而最大程度地减小后面 光组的口径,并且不影响系统的光学特性。 选择焦距多大的场镜合适? 根据某光线通过场镜前后的位置或角度,利用高 斯公式可以求出场镜的焦距 例题5-5(P95)
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(3)孔径光阑位置的安放原则 ? 不同的光学系统要求不同。如目视光学系 统要求出瞳位于系统外面的适当距离处, 便于人眼能与之重合,达到良好的观察效 果;远心光路要求设置在系统焦点处,以 减小测量误差;对于无特殊要求的系统, 孔径光阑的位置可以根据光学系统像差校 正的要求来确定。
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5.3 视场光阑
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判断孔径光阑的步骤:
(1)求出所有通光器件在物方的共轭像; (2)确定这些器件在物方允许的光束孔径角 (物在无限远处时,确定允许的光束高度) (3)比较得出其中最小孔径角所对应的器 件,即为孔径光阑。
判断方法二: 从轴上物点追迹一条近轴光线,求出光线在每个折射面上的投射高度, 然后将得到的投射高度与相应折射面得实际孔径相比,比值最大的为孔 径光阑。
用来限制一些非成像光线,如由于镜头表面、
金属表面以及镜筒内壁反射或散射产生的杂 散光。
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总结
孔径光阑和视场光阑是光学系统中不可缺少 的。在光学系统计算中,需要根据光学系统 所要求的最大视场和最大孔径来设计孔径光 阑、视场光阑以及系统中各个元件的横向尺 寸。 光束限制的共轭原则(☆重要☆) 如果一条光线在传播过程中受到某器件的限制, 那么根据共轭关系可知,在任意空间该光线 也会被该器件的共轭像所限制。
视场光阑 孔径光阑
D视 y 2
(2)物为无限远
孔径光阑
Fra Baidu bibliotek
y tan l lZ

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5.3.2 渐晕及其计算
1 基本概念
由于透镜框的限制, 视场由中心向外射入 系统的光线逐渐减弱 至零,如此对光束限 制的器件也可以看作 视场光阑。 轴上点与轴外物点成像光束大小不同的现象称为渐晕 视场光阑与物面或像面都不重合时,视场必然产生渐 晕。
第5章 光学系统的光束限制
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 概述 孔径光阑 视场光光阑 渐晕光阑与场镜 景深和焦深
唐山学院机电工程系《工程光学》
5.1 概述
任何光学系统对光束包括两个基本限制:
(1)对入射的光束大小 (2)对成像范围
研究的意义:
(1)反映了光学系统的某些重要性能; (2)决定了光学系统对物体细节的分辨力和系 统的景深; (3)对光学系统的像差也有重要影响。

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需要注意的问题:
(1)在具体的光学系统中,如果物平面位置有 了变动,究竟谁是真正起限制轴上物点光瞳作 用的孔径光阑?
A
A
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(2)孔径光阑对轴外物点如何影响? 孔径光阑位置不同,轴外物点参与成像的光束 位置就不同。 孔径光阑的位置不同,轴外物点发出并参与成像 的光束通过透镜的部位不同。 孔径光阑的位置将影响通过所有成像光束而需要 的透镜口径大小。
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5.5.2 焦深
焦深:一个物平面能够获得清晰像的像方空间深度。
D A
D’
Z’ A’

2 pz / D
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P’

注意:
景深和焦深是两个不同的概念,前者描述的是物 方空间的深度,后者描述的是像方空间的深度, 虽然在符号上有相似之处,但它们绝不是一对共 轭关系。
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5.5.3 远心光路
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望远系统目镜的渐晕作用
与前面讲过的视场光阑的渐晕效果进行比较。
物镜 视场光阑 目镜
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光学系统中光阑性质的判别
(1)首先将光学系统中所有的光孔或框在物空间成 像,求出其大小和位置; (2)由轴上物点A向各光孔和框在物空间的像的边缘 张角,张角最小者为入瞳(无穷远物点直接比较像 的直径),与之对应的实际光孔或框就是孔径光阑; (3)由入瞳的中心向其余光孔或框的物方像的边缘 张角,张角最小者为入窗,与之对应的实际光孔或 框就是视场光阑; (4)由物的边缘向入瞳边缘张角,与其拦光作用的 光孔或框的像相对应的实际光孔或框就是渐晕光阑 (无穷远物点选择充满入瞳的最大视场角的光线)。
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I
II
I'
A
A'
共轭原则
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5.2 孔径光阑
★孔径大小(最大光束的大小)以轴上物点 (视场中心)来计算。 在众多的通光孔径中如何判别孔径光阑?
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孔径光阑的判断:
根据共轭原则,将光孔在像方对光束的限制转换成 “光孔”在物方对光束的限制,并比较得出何者是孔 径 光阑。
1 2
u1 A
u2 A'
15
16
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若系统的孔径光阑与物面之间,即孔径光阑的前方没有 折射和反射元件(透镜、棱镜或反射镜),则孔径光阑的边 框直接对轴上物点所张立体角范围内的光束,都能通过此 光学系统到达像面或聚光面。 若孔径光阑与物面之间有折射和反射元件,则因光线被折 射或反射,所以能够通过光学系统的光束就应该受入瞳的 限制。
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5.5 景深和焦深
5.5.1 景深
想一想:为什么看许多照片时感觉远近都清楚?
理论上,只有共轭的物平面才能在像平面上成清晰 像,其他物点所成的像均为弥散斑。但当此斑对眼 睛的张角小于眼睛的最小分辨角1’时,人眼看起来 仍为一点。此时,该弥散斑可认为是空间点在平面 上的像。
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如图,当Z1’和Z2’小到可以看成一点时,我们认
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将孔径光阑放在像方焦面,物方主光线平行于光
轴,调焦不准时只是看起来模糊些,弥散斑的中 心不变,量得h准确。
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孔径光阑设置在光学系统像方焦面处,其 入瞳在无穷远处,物方主光线平行于光轴 的光路称为物方远心光学系统。 孔径光阑设在物方焦面,其出瞳在无穷远 处,像方主光线平行于光轴的光学系统称 像方远心光学系统。
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光阑:
在光学系统中对光束起限制作用的光学元件。 可能是某一透镜的边框,也可能是专门设 计的任一形状的光孔器件。 分类: 根据各种光阑限制光束的目的,大体分为:孔 径光阑、视场光阑、渐晕光阑、消杂光光阑
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5.1.1 孔径光阑
1. 光学系统中用于限制成像光束大小的光阑称
为孔径光阑。如照相机的可调光圈。 2. 在光学系统中,描述成像光束大小的参量称 为孔径。 3. 系统对近距离物体成像,孔径大小用孔径 角U表示;对远距离物体成像,孔径大小用 孔径高度h表示。
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孔径光阑
孔径光阑
-U A U
h A=∞
5
5.1.2 视场光阑
1、在光学系统中,用于限制成像范围大小的光 阑称为视场光阑。如照相机中的底片框。 2、光学系统中描述成像范围大小的参量称为视 场。 3、系统对近距离物体成像时,视场大小用物体 高度y表示,对远距离物体成像时,用视场 角w表示。
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入瞳
视场光阑的作用
在光学系统中限制成像范围(或称视场大小) 视场光阑的位置: (1)放在系统像面上,如照相系统的底片 (2)放在系统物面上,如书写投影仪的图片框 (3)放在成像过程中某个中间实像面上,如望 远系统和显微系统。
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孔径光阑
视场光阑
视场光阑 孔径光阑

视场光阑
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5.3.1 视场范围的计算
焦深的存在——像面调焦的不准确; 景深的存在——使物体不能置于所要求的正确位置;
二者在测量用的光学系统中会引入测量误差,需要构 建特殊光路:物方远心光路和像方远心光路。
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1. 物方远心光路
通过光学系统对AB成像测AB的长度,精确调焦可
以精确测量。调焦不准,如调焦于A1B1,在分划 板上得弥散斑。量得的长度h比AB略长。反之若调 焦于AB前,测得的长度略短。
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场镜
在前面分析过的双目望远镜中,假定物镜和目镜
的焦距按照系统的光学特性已经被确定,成像光 束在系统中的光路也就确定了,如图a所示。
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如果希望系统光学特性不变,即在物镜和目镜焦
距不变的条件下,把出射光束在目镜上的投射高 度降低一些,使目镜组的口径减小,由图(b)可以 看到,在像平面 上加一个正透镜就可以达到此 目的,而不会影响系统的光学特性。这时因为它 和物镜所成的像重合,即物镜所成的像正好位于 它的主平面上,通过它以后所成的像和原来像的 大小相等,从而不会影响系统的成像特性。
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5.4 渐晕光阑和场镜的应用
1.想一想:是否所有光学系统都要求无渐晕?
当孔径和视场都较大时,无渐晕既无必要也 不可能。因为远离孔阑的透镜直径不能做得太大, 且适当拦掉偏离理想成像状态较远的即像差较大 的轴外光束有利于改善像质。 所以为了减小系统的横向尺寸或改善轴外物 点的成像质量,人为地在成像范围内产生部分渐 晕,起这种光束限制作用的光学器件称之为渐晕 光阑;渐晕光阑不是光学系统必需的,有的时候 也不只一个。
视场光阑
y
ω
孔径光阑
ω
y’ •
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5.1.3 渐晕光阑
渐晕:
视场范围内某一部分区域物点的成像光束较之 另一部分区域物点的光束出现减弱的现象。
渐晕光阑:
对轴外物点的成像光束产生限制作用的一种光阑。
使轴外物点通过系统的光束小于轴上物点其目的是为了 改善轴外点的成像质量或减小部分光学元件的横向尺寸。
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5.1.4 消杂光光阑
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5.2.3 入射光瞳和出射光瞳
所谓光瞳,就是孔径光阑的像 孔径光阑经孔径光阑前面光学系统所成的像(在物
方空间的共轭像)称为入射光瞳,简称入瞳; 孔径光阑经孔径光阑后面光学系统所成的像(在像 方空间的共轭像)称为出射光瞳,简称出瞳 。 通过入瞳中心的光线称为物点的主光线。 三者互为共轭关系
为从B1到B2的空间深度范围内的物,都能在像平 面上得到清晰像。我们把在平面上能成清晰像的 物方空间深度叫景深。
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A′所在的平面称为景像平面;与景像平面共轭的
物平面称为对准平面;能在景像平面上成清晰像 的最远物面称为远景平面;能成清晰像的最近物 面称为近景平面;远景面和近景面之间的距离即 为景深。
光学系统视场范围多用物方视场角或物面半径(或 直径)表示。 D视 1 视场光阑与像面重合, y 物方视场
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(1) 物为有限距离时
孔径光阑
y y
视场光阑
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孔径光阑
视场光阑

(2)
y tan f
物在无限远
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2 视场光阑与物面重合,视场光阑的大小就是
物的大小 (1)物为有限距离
计算视场大小的步骤:(1)首先求出所有的通光 器件在系统的物方共轭像,找到入瞳;(2)按渐 晕系数值在入瞳口径上截取一点,作为光线与入 瞳的交点;(3)由该点向各个器件在物方的共轭 像边缘作连线,并延长连线至物面,其中允许成 像范围最小者对应的器件是视场光阑。
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3. 入射窗和出射窗
视场光阑被其前面的镜组成在系统物空间的像称 为入射窗,被其后面的镜组成在系统像空间的像称 为出射窗。
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