第四章 光学系统中的光束限制
光束系统中的光束限制
18
例 已知一光学系统由三个零件组成， 透镜1其焦距 f1′= - f1 =100mm，口径D1 = 40mm； 透镜2的焦距f2′= - f2 =120mm，口径D2 = 30mm， 它和透镜1之间的距离为d1 = 20mm； 光阑3口径为20mm，它和透镜2之间的距离d2 = 30mm。 物点A的位置L1 = -200mm; 试确定该光组中，哪一个光孔是孔径光阑。
¾ 光瞳衔接原则：前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合，否 则会产生光束切割，前面系统的成像光束中有一部分将被后 面的系统拦截，不参与成像
¾ 目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm ¾ 望远系统的孔径光阑大致在物镜左右 ¾ 分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑
37
• 显微系统
当两个系统组合在一起成像时，为了使前一个系统的出射光束都能进入 后一个系统，而又不使后一个系统的通光口径过大，这就需要在中间像 平面上加入一个场镜。
例：物体AB经前组透镜成像在A’B’，A’B’将继续通过后组透 镜成像，为了使成像光束能进入后组透镜，则后组透镜的 口径大倒不堪设想的地步。 在像平面A’B’加一场镜，把成像光束向光轴偏转，使主光线 透过后透镜中心，则后组透镜的口径大大减小。
¾ 一般显微镜系统中，孔径光阑置于显微物镜上；一 次实像面处安装系统的视场光阑
¾ 显微镜系统用于测长目的时，为了消除测量误差，孔 径光阑安装在显微物镜的像方焦面处，称为“物方远 心光路”
¾ 在长光路系统中，往往利用场镜达到前后系统的光瞳 衔接，以减小光学零件的口径
38
§4.2 场镜的特性及其应用
工程光学 第4章 光学系统中的光束限制
2，物镜上 hz物＝0mm hz分＝8mm hz目＝9.35mm
lz'=21mm
3，物镜右侧10mm hz物＝0.82mm hz分＝8mm hz目＝9.51mm
lz'=21.3mm
三、阑位对轴外光束位置的选择
2. 用焦距=450mm 的翻拍物镜拍摄文件，文件上压一块折射率n=1.5，厚度
d=15mm 的玻璃平板，若拍摄倍率
，试求物镜后主面到平板玻璃第一面的距
离。
解：
此为平板平移后的像。
3. 画出经图中棱镜后的输出坐标系
第四章 光学系统中的光束限制
➢光阑 ➢照相系统中的光阑 ➢望远镜系统成像光束的选择 ➢显微系统中的光束限制与分析 ➢光学系统的景深
下，我们都用半视场ω来表示。
2、入射窗、出射窗 1）入射窗：视场光阑经前面的光组在物空间所 成的像； 2）出射窗：视场光阑经后面的光组在像空间所 成的像；
3）判断入射窗的方法： 将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别 对其前（后）面的光学系统成像到系统的物 （像）空间去，并根据各像的位置及大小求出 它们对入（出）瞳中心的张角，其中张角最小 者为入射窗（出射窗）。
为圆形或矩形。
孔径光阑位置
第三节 望远系统中成像光束的选择
一、望远系统的基本结构和光学数据：
1、光学结构 2、光学数据：视角放大率Γ、视场角2W、出瞳
直径D’、出瞳距离lZ’ 、物镜焦距f物’、目镜 焦距f目’
双目望远镜系统
望远镜系统简化图
分划板（视场光阑）
孔径光阑
出瞳
二、望远系统中的光束限制：
第一节 光阑
一、概念: 光阑、孔径光阑、视场光阑
1、定义：光学系统中设置的带有内孔的金属薄 片
工程光学 第四章_光学系统中的光阑与光束限制
2′
B'
30 26.565o 2 (30) D2 2( l1 l2 )
) U1 ) U 2
U 2 (
U 2 arctg arctg
B
A'
44 23.749o 2 (30 20)
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。
★景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值 y D pp z2 D p z z1 y ★对准平面上对应弥散斑的允许值：z z1 z2 ★远景、近景到入瞳的距离：
z1 2a p1 p p1
z2 2a p p2 p2
z
p
2ap 2ap p1 p2 2a z1 2a z 2
，
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。
y y' ' tan tan p D
y' D p p y
以下推导 不考虑正负号
眼睛
u
：人眼的
极限分辨角
p
p
清晰像：弥散斑直径对人眼的张角< 人眼的极限分辨角 1 ~ 2
2、透视失真
—— 投影中心前后移动，所得投影像与景物不成比例。
3、景像畸变
二、光学系统的景深
★ 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。
近景平面 远景 平面
1 2
入瞳中心： 物空间参数 的起算原点
应用光学 郁道银版的课件 工程光学 第四章)
视场光阑、入射窗、出射窗
光学系统的成像范围是有限的。
照相机中底片框限制了被成像范围 的大小
工具显微镜中分划板的直径决定成 像物体的大小
第三节望远镜系统中成像光束的选择
典型的双目望远镜系统是由一个物镜、一 对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的， 如图4-7所示。有关光学数据如下：
或加大，从而达到调节光能量以适应外界
不同的照明条件。显然可变光阑不能放在
镜头L上，否A1则A2
的大小就不可变了。
底片框B1B2 的大小确定的。超出底片框的
范围，光线被遮拦，底片就不能感光。
在光学系统中，不论是限制成像光束口径、 或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为 “光阑”。
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑 称为“孔径光阑” ，例如照像系统中的可 变光阑 A 就是孔径光阑。
渐晕光阑
光阑以减少轴外像差为目的，使物空 间轴外点发出的、原本能通过上述两 种光孔的成像光束只能部分通过，这 种光阑称为渐晕光阑。
入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是 出射光瞳
入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。 如果光阑在整个光学系统的像空间，那
么它本身也就是出射光瞳；
反之，若在物空间，它就是入射光瞳
光学系统中的光束限制
§1 照像系统和光阑 §2 望远镜系统中成像光束的选择 §3 显微镜系统中的光束限制与分析 §4 光学系统的景深 补充: 光学系统的分辨率
实际光学系统与理想光学系统不同， 其参与成像的光束宽度和成像范围都是 有限的。限制来自于光学零件的尺寸大 小和其他金属框。从光学设计的角度看， 如何合理的选择成像光束是必须分析的 问题。光学系统不同，对参与成像的光 束位置和宽度要求也不同。
工程光学习题参考答案第四章-光学系统中的光束限制
第四章 光学系统中的光束限制1.设照相物镜的焦距等于75mm ，底片尺寸为55×55㎜2，求该照相物镜的最大视场角等于多少？解：3.假定显微镜目镜的视角放大率Γ目=15⨯，物镜的倍率β=2.5⨯,求物镜的焦距和要求的通光口径。
如该显微镜用于测量，问物镜的通光口径需要多大（u =-︒3.42y =8mm 显微镜物镜的物平面到像平面的距离为180mm ）？ 解： （1）5.2'-==ll β mm l 428.51-=180'=-l l mm l 57.128'=‘物f l l 111'=- mm f 73.36=‘物 在此情况下，物镜即为显微镜的孔径光阑︒-=3.4u mm tg ltgu D 734.73.4428.5122=⨯⨯==︒物（2）用于测量时，系统中加入了孔径光阑，目镜是视场光阑 由于u 已知，根据u 可确定孔径光阑的大小 mm tg tgu L OM A 8668.33.4428.51=︒⨯=⋅=OA PA OM D A ’‘孔=2L 目-目fL ‘Zmm OM L f L D A 52.58668.357.12873.3657.12822'=⨯-⨯=⨯-⨯=∴’‘物孔在中M M B B '∆ OA P AB A O M B A D B ‘‘’‘’‘孔=++21 mm y 1045.2'=⨯= mm O M B 863.7=∴ mm D 726.15=物答：物镜的焦距为36.73mm ，物镜的孔径为7.734mm ，用于测量时物镜孔径为15.726mm 。
4. 在本章第二节中的双目望远镜系统中，假定物镜的口径为30mm ，目镜的通光口径为20mm ，如果系统中没有视场光阑，问该望远镜最大的极限视场角等于多少？渐晕系数k =0.5的视场角等于多少？ 解：（1）151018108=++x xmm x 252=1081825218252108181815+++=+++=x x y714286.10=y︒=33.112目ω （2）0793651.0181081021=+=+=’目‘物目f f D tg ω ︒︒==∴08.932492‘’‘ω答：极限视场角等于11.33︒渐晕系数为0.5的视场角为9.08︒。
工程光学习题解答__第四章_光学系统中的光束限制-推荐下载
解：（1）
ω目
x
108 18 x 15
x 252mm
10
f‘物
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电，力通根保1据护过生高管产中线工资0不艺料仅高试可中卷以资配解料置决试技吊卷术顶要是层求指配，机置对组不电在规气进范设行高备继中进电资行保料空护试载高卷与中问带资题负料2荷试2，下卷而高总且中体可资配保料置障试时各卷，类调需管控要路试在习验最题；大到对限位设度。备内在进来管行确路调保敷整机设使组过其高程在中1正资中常料，工试要况卷加下安强与全看过，25度并52工且22作尽护下可1关都能于可地管以缩路正小高常故中工障资作高料；中试对资卷于料连继试接电卷管保破口护坏处进范理行围高整，中核或资对者料定对试值某卷，些弯审异扁核常度与高固校中定对资盒图料位纸试置，卷.编工保写况护复进层杂行防设自腐备动跨与处接装理地置，线高尤弯中其曲资要半料避径试免标卷错高调误等试高，方中要案资求，料技编试术5写、卷交重电保底要气护。设设装管备备置线4高调、动敷中试电作设资高气，技料中课并术3试资件且、中卷料中拒管包试试调绝路含验卷试动敷线方技作设槽案术，技、以来术管及避架系免等统不多启必项动要方方高式案中，；资为对料解整试决套卷高启突中动然语过停文程机电中。气高因课中此件资，中料电管试力壁卷高薄电中、气资接设料口备试不进卷严行保等调护问试装题工置，作调合并试理且技利进术用行，管过要线关求敷运电设行力技高保术中护。资装线料置缆试做敷卷到设技准原术确则指灵：导活在。。分对对线于于盒调差处试动，过保当程护不中装同高置电中高压资中回料资路试料交卷试叉技卷时术调，问试应题技采，术用作是金为指属调发隔试电板人机进员一行，变隔需压开要器处在组理事在；前发同掌生一握内线图部槽纸故内资障，料时强、，电设需回备要路制进须造行同厂外时家部切出电断具源习高高题中中电资资源料料，试试线卷卷缆试切敷验除设报从完告而毕与采，相用要关高进技中行术资检资料查料试和，卷检并主测且要处了保理解护。现装场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
光学系统中的光束限制 知识点
4-1#光阑#限制成像光束和成像范围的光孔或框。
#孔径光阑#限制轴上物点成像光束孔径角大小，或者说限制轴上物点成像光束宽度、并有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑。
#光瞳#孔径光阑的像。
#入射光瞳#孔径光阑经其前面的光学系统所成的像，简称入瞳。
#出射光瞳#孔径光阑经其后面的光学系统所成的像，简称出瞳。
#主光线#通过入射光瞳中心的光线。
#视场光阑#限定成像范围的光阑。
#入窗#视场光阑经其前面的光学系统所成的像。
#出窗#视场光阑经其后面的光学系统所成的像。
#物方视场#能清晰成像的物面范围。
#像方视场#能清晰成像的像面范围。
#物方视场角#是入瞳中心对入射窗边缘的张角。
#像方视场角#是出瞳中心对出射窗边缘的张角。
#渐晕#轴外点充满入瞳的光束被其他光孔或框所遮拦，造成轴外点成像光束宽度比轴上点窄，像平面边缘部分就比像平面中心暗的现象。
#渐晕系数#轴外点成像光束与轴上点成像光束在光瞳面上的线度之比。
4-2#光瞳衔接#前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合。
4-3#物方远心光路#孔径光阑位于物镜的像方焦平面处，对应的入瞳位于无穷远处，轴外点主光线平行主光轴。
#场镜#放置位置与像平面重合或者和像平面很靠近的透镜称为场镜。
4-4#空间像#把空间中的物点成像在一个像平面上，称为平面上的空间像。
#景深#在景像平面上所获得的成清晰像的物空间深度称为成像空间的景深。
#远景平面#能成清晰像的最远的平面。
#近景平面#能成清晰像的最近的平面。
#正确透视距离#使照片上图像的各点对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。
光学系统的光阑与光束限制(第四章)
第四章光学系统的光阑与光束限制一、填空题I级I级1空1、在光学系统中，对光束起限制作用的光学元件通称为[1]。
光阑2、限制轴上物点成像光束大小的光阑称为[1]。
孔径光阑3、孔径光阑经过前面的光学系统在物空间所成的像称为[1]。
入射光瞳4、孔径光阑经过后面的光学系统在像空间所成的像称为[1]。
出射光瞳5、一般安置在物平面或像平面上，以限制成像范围的光阑称为[1]。
视场光阑6、视场光阑经其前面的光学系统所成的像称为[1]。
入射窗7、视场光阑经过后面的光学系统所成的像称为[1]。
出射窗8、轴外点发出的充满入瞳的光束受到透镜通光口径的限制，而部分被遮拦的现象称为[1]。
渐晕9、孔径光阑位于光学系统像方焦面处，光学系统的物方主光线平行于光轴，主光线汇聚中心位于物方无限远处，这样的光路称为[1]。
物方远心光路10、孔径光阑位于光学系统物方焦面处，光学系统的像方主光线平行于光轴，主光线汇聚中心位于像方无限远处，这样的光路称为[1]。
像方远心光路11、在长光路系统中，往往利用[1]达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学零件的口径。
场镜12、在像平面上所获得的成清晰像的物空间深度称为成像空间的[1]。
景深13、像面边缘比中心暗的现象称为[1]。
渐晕14、为了减少测量误差，测量仪器一般采用[1]光路。
远心15、渐晕大小用渐晕系数衡量，线渐晕系数定义为轴外点成像光束与轴上点成像光束在[1]上线度之比。
入瞳16、与入射窗共轭的物是[1]。
视场光阑17、与入瞳共轭的物是[1]。
孔径光阑I 级2空1、在放大镜和人眼组成的光学系统中，放大镜的镜框是（ ），人眼是（ ）。
视场光阑，孔径光阑2、一个10倍的放大镜，通光直径为20mm ，人眼离透镜15mm ，眼瞳直径为3mm ，当渐晕系数为0.5时，人眼观察到的线视场为（ ）mm ；无渐晕时，线视场为（ ）mm 。
33.33，28.333、开普勒望远系统加场镜后，视放大率不变，目镜通光口径（ ），出瞳离目镜距离（ ）。
工程光学光学系统中的光阑和光束限制
景像平面 AB； 在物空间和景象平面共轭的平面AB称为对准平面。
以入射光瞳中心点P为投影中心，将空间点沿主 光线向对准平面上投影，投影点在景象平面上的 共轭点就是空间点的平面像。
非对准平面内的空间点发出的充满光瞳的光束 和对准平面交为弥散斑，相应的在景象平面上 的像也是一个弥散斑，弥散斑的大小和光瞳直径 、空间点到对准平面的距离有关。
➢参与成像的光束空间位置不同； ➢光束通过透镜的部位不一样（像质差异）； ➢通过全部成像光束需要的透镜孔径不一样。
实际的光学系统，透镜的孔径是有限的，其 边框阻挡部分轴外参与成像的光线，使轴外 点参与成像光束的宽度比轴上点小，从而边缘像 比中心暗----渐晕。
渐晕系数：
K
D D
入射光瞳示意
第三节 望远镜系统成像光束的选择
假设光学参数如下： 视觉放大率： 6x 视场角：2 8030
出瞳直径：D 5mm 出瞳距离：lz 11mm 物镜焦距：f物 108 mm 目镜焦距：f目 18mm
计算孔径光阑在以下三个位置时，光学元件的 孔径大小。 （1）物镜左侧10mm； （2）物镜上； （3）物镜右侧10mm；
D D 30mm (入瞳直径)
第四章 光学系统中的光阑和光束限制
实际光学系统与理想光学系统不同，其参与 成像的光束宽度和成像范围都是有限的，如 何合理的选择成像光束很重要。
光阑 照相系统中的光阑 望远镜系统成像光束的选择 显微镜系统中的光束限制与分析 光学系统的景深
第一节 光阑
光学系统中一些中心开孔的用来限制成像光束 和成像范围的薄金属片，称为光阑。 光阑也可能是光学元件的边框。
视场是用光阑主动限定的---视场光阑
第四章 光学系统中的光阑和光束限制
渐晕系数：斜光束在子午面内光束 宽度与轴上点光束的口径之比：
K D D
照相光学系统小结：
可变光阑为系统的孔径光阑，为保证轴外光束的像质 孔径光阑设在照相物镜的某个空气间隔中。
在有渐晕的情形下，轴外点光束的宽度不仅由孔径 光阑的口径决定，而且与渐晕光阑的口径有关。
在照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。 孔径光阑的形状一般为圆形，视场光阑的形状为圆形
由公1式 1 1 l1' l1 f '
f'54mm
场镜焦距为54mm.
§4.5 光学系统的景深
一、光学系统的空间像：
1.空间中的物点成像：(图4-16) 把空间中的物点成像在一个像平面上，称为平面 上的空间像。如望远镜、照相物镜.
物方空间点在平面上成像：以入射光瞳中心点为透视中心， 以主光线为投影线，使空间点投影在对准平面上，则投影 点在景像平面上的共轭点便是空间的平面像。
或矩形。
首页
§4.3 望远镜系统中成像光束的选择
一、望远镜系统的基本结构：（图4-7） 二、望远镜系统中的光束限制：
1. 光瞳衔接原则：（图4-8） 2. 前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合 2. 孔径光阑在不同位置处的计算
（1）物镜左侧10mm； （2）物镜上； （3）物镜右侧10mm;
图4-12 双目望远镜系统
(2) 物镜上； (3)物镜右侧10mm.
出瞳直径： D'5mm
视场角： 41'5
入瞳直径： D D ' 6 5 3 m 0m
若孔径光阑在（2）位置上，分划板上一次实像像高：
y'f物 'tan8mm
分划板框限制了系统视场。因此分划板框为视场光阑。
工程光学与技术4
2、光阑的分类
光阑根据在光学系统中的作用不同主要 有三类：
孔径光阑、视场光阑和消杂光光阑。
光阑在光学系统中的作用：
1、决定像面的照度。
2、决定系统的视场。 3、限制光束中偏离理想位置的 一些光线，用以改善系统的成 像质量 4、拦截系统中有害的杂散光。
以普通照相机来说明光阑
二、孔径光阑设置原则
孔径光阑 入瞳
孔径光阑 入瞳
B
B
A
A
例:与眼睛配合使用的目视仪器
入瞳 出瞳 眼瞳
光阑位置与光学零件重合
B
B1
孔径光阑
A1 A
y
y 1
y
B1 B
A1
A
光阑位置与像方焦平面重合
B
B1
A
孔径光阑
F
B1
B
A1
A
y1 y
A1
y
物方远心光路和像方远心光路
n — 物方空间的介质折射率。 物方孔径角Umax越大，其数值孔径也越大。
进入系统的光能越多，理论分辨本领越高。
望远系统和摄影系统常用相对孔径A来表示
D A f'
D —入瞳直径 f’—物镜焦距
相对孔径A越大，表明能进入系统的光能也越多
而照相机，则常用另一个术语—光阑指数， 用F来表示，它是相对孔径的倒数，即
入窗
或者把视场光阑设置在像
平面上。 视场具有清晰的界限。
出瞳
像平面
视场光阑 出窗
光学系统的视场大小用两种方法表示 线视场：对近距离成像的光组，常 用能看到的物平面直径来表示。 视场角：对远距离或无限远物体成 像的光组，常用角度来表示其视场 的大小。
第四章 光学系统中的光阑和光束限制
光阑的定义
光阑是限制光束通过的装置，通常由透镜、反射镜或光栅等光学元件构成。 光阑的主要作用是控制光束的形状、大小、方向和能量分布等特性。 光阑的位置和形状决定了光学系统的成像质量和光束的输出特性。 光阑可以分为入射光阑和出射光阑，分别控制光束的输入和输出。
光阑的分类
孔阑：通过孔径光阑使光束通过，限制光束的尺寸和形状 反射式光阑：利用反射面光阑限制光束的形状和方向 干涉式光阑：利用干涉原理对光束进行调制和限制 衍射式光阑：利用衍射原理对光束进行调制和限制
它们在人像摄影、 风景摄影、微距摄 影等领域都有广泛 的应用，对于摄影 师来说是必备的拍 摄工具。
光阑和光束限制器的优缺点
光阑的优缺点
优点：能够有效地控制光束的形状和大小，提高成像质量 优点：能够减少杂散光和眩光，提高系统的信噪比 缺点：可能会对光束的能量分布产生影响，导致光束质量下降 缺点：可能会增加系统的复杂性和成本
随着光学技术和材料科学的不断发展，光阑和光束限制器的材料、结构、 性能等方面也在不断优化和改进。
目前，光阑和光束限制器的研究重点在于提高其精度、稳定性、可靠性等 方面，以满足更高精度的光学系统需求。
未来，光阑和光束限制器的研究将更加注重智能化、微型化、多功能化等 方面的发展，以适应不断变化的光学系统需求。
YOUR LOGO
保护光学元件免 受光束过强的损 伤
在激光加工等领 域中起到关键作 用
光阑和光束限制器的应用场景
光学仪器中的光阑和光束限制器
激光技术中的光阑和光束限制器
激光雷达：光阑用于控制激光束的发射角度，限制器的存在可以防止光束散射和干扰。
激光通信：通过光阑精确控制激光束的方向和大小，确保信号的稳定传输。
激光切割：光束限制器能够减小激光功率，从而在切割材料时更加精确和安全。
光学系统中的光束限制 重点
§4.1 照相系统和光阑一、照相系统由三部分组成镜头：将外界景物成像在底片上。
光阑：调节成像光束宽度从而调节光能量。
底片架框：确定景物的成像范围。
二、光阑孔径光阑：A 调节入射光能和像质；视场光阑：B确定成像范围。
孔径光阑对入射光束有很直接的选择作用，对于轴上物点和轴外物点，其限制或选择作用不同。
孔径光阑对轴上点光束的限制：孔径光阑对轴外点光束的限制：渐晕、渐晕光阑：入瞳和出瞳：入瞳：孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像。
出瞳：孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像。
小结：1，在照相光学系统中，根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置，其大致位置在照相物镜的某个空气间隔中。
2，在有渐晕的情形下，轴外点光束宽度不仅由孔径光阑的口径确定，而且还和渐晕光阑的口径有关。
3，照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。
4，孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或矩形等。
§4.2 望远系统中成像光束的选择一、望远系统的基本结构：双目望远镜系统：望远镜系统简化图二、望远系统中的光束限制：光瞳衔接原则：前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合，否则会产生光束切割，前面系统的成像光束中有一部分将被后面的系统拦截，不参与成像。
孔径光阑在不同位置处的计算：1，物镜左侧10mmhz物＝0.75mmhz分＝8mmhz目＝9.25mmlz'=20.5mm2，物镜上hz物＝0mmhz分＝8mmhz目＝9.35mmlz'=21mm3，物镜右侧10mmhz物＝0.82mmhz分＝8mmhz目＝9.51mmlz'=21.3mm孔径光阑处于不同位置时的成像光束三、小结：两个光学系统连用时，一般应满足光瞳衔接原则。
目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于6mm。
望远系统的孔径光阑大致在物镜左右。
放分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。
§4.3 显微镜系统中的光束限制与分析一、简单显微镜系统的光束限制二、远心光路显微镜测长原理：物方远心光路及其特点：特点：入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行光轴。
应用光学第四章光学系统中成像光束的限制
远心光路
孔阑设于焦平面上的光 学系统称远心光学系统。
孔阑设于像方焦面，物 方主光线平行于光轴，称 物方远心光学系统。 孔阑设于物方焦面，像 方主光线平行于光轴， 称像方远心光学系统。
有利于减小或消除调焦误差
29
30
➢典型系统的光束限制
放大镜成一正立、放大的虚像。人眼是孔径光阑（出瞳），限制的是 成像光束，放大镜本身是视场光阑（入射窗），限制的是成像范围。 其最大的视场由入瞳的下边缘与入射窗的上边缘决定。
31
望远镜
32
显微系统
由物镜与目镜构成，在中间也有一实像面，可放置分划板，用于观察近处的 物体。显微系统它的物镜焦距与目镜焦距都比较短，从而出现较大的光学间 隔。当物经显微系统成像时，实现的是二次成像过程，物位于物方焦面附近， 经物镜成一放大的、倒立的实像，实像面一般位于目镜的物方焦面附近，之 后再经目镜成一正立、放大的虚像。最终的结果是：成一倒立、放大的虚像。
结论4：系统中的光阑只是针对某一物体位置而言的，若物体位置发生了变 化，则原光阑会失去限光作用。
12
视场光阑的确定 入窗与出窗
视场光阑位置
13
入窗—视场光阑经前面光学系统的像 ---限制物方视场的大小
出窗—视场光阑经后面光学系统像 ---限制像方视场的大小
物PQ上Q1点以上的主光线都被透镜 边缘挡住而不能通过系统----透镜 边缘的边框限制着通过系统的主光 线—限制着物面上的成像范围
标准镜头 广角镜头 微距镜头 望远镜头 变焦镜头 望远镜头 26
摄影时怎样控制景深?
要拍摄小景深的照片，如特定 镜头，应选择长焦距、大的相 对孔径即小的光圈数，对准距 离近。
要拍摄大景深的照片，如远景 镜头，应选择短焦距、小的相 对孔径即大的光圈数，对准距 离远。
4工程光学教学-作者--郁道银-第四章PPT课件
O1
F2
O2
45
180
195
（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳
2
tgU1
0.044 45
2.72/2 tgU 2454.4151.6
tgU3 2.50/2
U1最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经 O2的像为出瞳。
l'1l1l1 f'f2'2 1 19 9 1 1 5 55 5 1.2 6m 5 m D'1ll'11•D111.6 295 540.3m 3 m
45 •D3180102.5mm
17
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
O1
F2O2经O1成像
l'2l2l2 f'f1'1 1 19 9 3 3 5 56 6 4.1 4m 5 m D'2ll'22•D241.1 49 551 22.7m 2 m
18
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
第4章 光学系统中的光束限制
➢ 光阑 ➢ 照相系统中的光阑 ➢ 望远系统中成像光束的选择 ➢ 显微镜系统中的光束限制与分析 ➢ 光学系统的景深
1
本章重点
孔径光阑、视场光阑的确定方法 远心光路 景深
2
孔径光阑
1、孔径光阑的定义与作用 限制轴上物点光束大小的光孔，也称为“有效光阑” P1P2是孔径光阑,主要用于控制成像面的光能！
13
孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中 心连线决定。
入 射 窗
A
O'2
ω
出孔 射径 光光 瞳阑
入 射 光 瞳 B'
O1
4光学系统中的光束限制1
优点： 轴外点主光线（经过孔径光阑的中心的光线）相同， 优点： 轴外点主光线（经过孔径光阑的中心的光线）相同， 而不论物体防于什么位置。 而不论物体防于什么位置。 用途： 用途： 测量长度用显微镜
测量原理： 物镜的实像面上放置一有标尺的透明分划 测量原理： 分划板上有格， 板，分划板上有格，格值已考虑了物镜 的放大率； 的放大率； 光路中，孔径光阑= 光路中，孔径光阑=物镜框
分析： 分析： 望远系统
第一个光组的像方焦点F 与第二个光组的物方焦点 与第二个光组的物方焦点F 第一个光组的像方焦点 1’与第二个光组的物方焦点 2重合 入射光∥光轴 入射光∥ →出射光∥光轴 出射光∥
1 1 1 d = + − f ' f1 ' f 2 ' f1 ' f 2 '
所以
d = f1 '+ f 2 '
过孔径光阑中线的光线， 过孔径光阑中线的光线，hz
h 0.75 tan u' = tan u + = tan 4.25° + = 0.081mm f1 108
…计算得到主光线在各光学零件上的投射高度。 计算得到主光线在各光学零件上的投射高度。 计算得到主光线在各光学零件上的投射高度 出瞳位置： 出瞳位置： x1
D：轴上光束的口径； 轴上光束的口径；
入瞳与出瞳
入瞳： 孔径光阑经其前面的透镜（ 在光学系统物空间所成的像； 入瞳： 孔径光阑经其前面的透镜（组）在光学系统物空间所成的像； 入射光瞳； 入射光束的入口） 入射光瞳； （入射光束的入口） 出瞳： 孔径光阑经其后面的透镜（ 在光学系统像空间所成的像； 出瞳： 孔径光阑经其后面的透镜（组）在光学系统像空间所成的像； 出射光瞳； 出射光束的出口） 出射光瞳； （出射光束的出口） 入射窗： 视场光阑经其前面的透镜（组）在光学系统物空间所成的像； 在光学系统物空间所成的像； 入射窗： 视场光阑经其前面的透镜（ 照相机系统： 照相机系统：在∞处 出射窗： 视场光阑经其后面的透镜（ 在光学系统像空间所成的像； 出射窗： 视场光阑经其后面的透镜（组）在光学系统像空间所成的像； 照相机系统： 照相机系统：与B1B2重合
光学第4节_光束限制
2020
演讲完毕 谢谢观看
当入瞳和出瞳沿轴位移时，弥散斑在对准及其景象平 面上的位置亦改变，且投影像的变化和景物不成比例 ——透视失真
s1 s2
s2 '
s1 s2
s1'
s1‘(s2 ')
第四章 光学系统中的光阑与光束限制 缩小光瞳时，弥散斑也将缩小，当光瞳缩小到一定程 度时，就能保证对准平面附近一定距离的物点都能成 清晰的像。这个距离就是景深。 即景像平面上所获得 的成清晰像的空间深度。
(像清晰度),控制景深 2. 控制成像物空间的范围 3. 控制像面的亮度
光阑的种类： 孔径光阑： A、A‘ 限制成像光束口径， 调节入射光能和像质 视场光阑： B 限制成像范围
第四章 光学系统中的光阑与光束限制
物
点
瞳
孔
窗
人眼瞳孔：孔径光阑
窗：
视场光阑
第四章 光学系统中的光阑与光束限制
孔径光阑对入射光束有很直接的选择作用，对于轴 上物点和轴外物点，其限制或选择作用不同。
第四章 光学系统中的光阑与光束限制 第一节 光阑
以照相系统为例，由三部分组成：
镜头：将外界景物成像在底片或探测器上 光阑：调节成像光束宽度从而调节光能量 底片及底片架框：确定景物的成像范围
v
L A A'
B
x 快门
u'
f
第四章 光学系统中的光阑与光束限制
光阑的作用： 1. 控制成像光束的孔径(保证近轴条件),改善成像质量
场阑对后光学系统的像，称为出射窗，简称出窗。
第四章 光学系统中的光阑与光束限制
入射窗对入瞳中心的张角称物方视场角． 出射窗对出瞳中心张角称像方视场角． 场阑一般放置在物面、像面，或中间像面上． 通过入瞳中心、孔径光阑和出瞳中心的光线 叫做主光线．
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5.1.4 消杂光光阑
消杂光光阑是限制那些非成像物体射来的光、光学 系统各折射面反射的光和仪器壳体内壁反射的光。一 般系统中，常把镜管内壁加工成内螺纹并使其发黑， 用来消除杂光。
5.2 孔径光阑和视场光阑的确 定方法
• 5.2.1 确定孔径光阑的方法 • 5.2.2 确定视场光阑的方法
P'1
主光线
B
-
P1 Q1 O2 O1 P
U
A
U'
P' Q2
P2
孔径光阑
P'2
孔径光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光 线的限制。
5.2.1 确定孔径光阑的方法
P'1
O'2 A P1 F'1 P2 图5.2-1 P'2
O1
O2
P'
首先，将系统中所有零件的光孔成像到物空间， 用计算方法确定其位置和大小 。 第二步，由物面中心A点对各个像的边缘引直线， 入射光瞳是其中张角最小者，对应的物为孔径光阑。
-
P1
U
U'
P
P2
孔径光阑
减小孔径光阑并不会对视场产生影响
视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光 线的限制。
照相系统中的光阑
照相系统组成
f/1
f/1.4
f/2
f/2.8
f/4
f/5.6
f/8
f/11
f/16
f/22
f/32
f/45
f/64
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
光阑
孔径光阑
1、孔径光阑的定义与作用 限制轴上物点光束大小的光孔，也称为“有效光阑” P1P2是孔径光阑,主要用于控制成像面的光能！
B
-
P1
A
U
O1
P
P2
O2
U'
A’ B’
孔径光阑
孔径光阑
2、入射光瞳和出射光瞳
P'1
主光线
B
-
P1 O2 O1 P Q1
U
A
U'
P' Q2
P1P2孔径光阑经 前方光学系统 所成的像 P'1P'2 称为入射光瞳， 简称入瞳，入 瞳边缘对物点A 的张角称为物 方孔径角2U．
轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称为 “渐晕”。该光阑称为“渐晕光阑”，渐晕光阑多为 透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制轴外点成像光束。
渐晕光阑
D D
“渐晕系数”：
D K D
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
若物体位于无限远，此时仅比较各个像本身的大 小，其口径最小者即为入射光瞳。 确定孔径光阑的方法，也可以先确定出射光瞳。
对称于光阑的对称式系统：入射光瞳和出射光瞳的 大小和倒正都一样，入瞳和出瞳之间的倍率为+1，入 射光瞳面和出射光瞳面分别与光学系统的物方主平面 和像方主平面重合。
渐晕光阑1 孔径光阑 渐晕光阑2
视场光阑
O3
F’1，F2
O2
A' F'2 O4 B'
图5.2-3
5.3.2 入射窗和物平面不重合产生渐晕
物 平 面 A B1 B2 B3 第一个区域是以B1A为半径的圆形区. 第二个区域是以B1B2绕光轴一周所形成的环形区域。产生 100％到50％的渐晕。 第三个区域是B2B3绕光轴一周所形成的环形区域。由B2点到B3 点，其渐晕系数由50%降低到零。 入 射 窗 入瞳
若物体位于无限远，此时仅比较各个像本身的大 小，其口径最小者即为入射光瞳。 确定孔径光阑的方法，也可以先确定出射光瞳。
对称于光阑的对称式系统：入射光瞳和出射光瞳 的大小和倒正都一样，入瞳和出瞳之间的倍率为+1， 入射光瞳面和出射光瞳面分别与光学系统的物方主平 面和像方主平面重合。
入瞳的大小是由光学系统对成像光能的要求或者 对物体细节的分辨能力(分辨率)的要求来确定的。常 D 以入瞳直径和焦距之比值来表示， / f ' 称为相对孔径， 它是光学系统的一个重要的性能指标。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
入瞳的大小是由光学系统对成像光能的要求或者 对物体细节的分辨能力(分辨率)的要求来确定的。常 D 以入瞳直径和焦距之比值来表示， / f ' 称为相对孔径， 它是光学系统的一个重要的性能指标。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
孔径光阑的安放要遵循一定原则。
渐晕光阑1 孔径光阑 渐晕光阑2 F1 F2
O1
视场光阑
O3
O2
A' F'2 O4 B'
图5.2-3
在一个光学系统中，可以有一个渐晕光阑，也可以 有两个渐晕光阑，也可以没有渐晕光阑。 显然，设置渐晕光阑拦掉部分轴外点的成像光束， 可改善轴外点成像质量，同时也为了减小光学零件的 口径。
入窗 B O'2 O'4 A F1 O1
光孔O4经透镜O2和O1成像。根据全对称系统，
l4 ' 150 mm, D4 ' 40 mm
各像对物点的张角为
25 1 tgU1 tgU2 150 6
10 1 tgU3 150 15
20 tgU4 0
U3角最小，入瞳在物方无穷远，O3为孔径光阑。O3的 像在像方无穷远，为出瞳。
对于目视光学系统，出瞳必须在目镜外，便于与 其衔接。 在投影计量光学中，要求入瞳或出瞳位于无穷远。 在光学设计时，可以合理设置孔径光阑位置用以 校正像差。 可以合理设置孔径光阑的大小来匹配光学镜组之 间的能量。
视场光阑
限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑。
P''1
Q2’
入射窗
P1
视场光阑 Q1Q2 是 视 场 光 (出射窗) 阑。 U'
(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最 小者即为入射窗，入射窗对应的光学零件视场光阑.
入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 2 ，同 时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件所 成的像即为出射窗，出射窗对出瞳中心的张角即为像 方视场角 2' 。
视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。
入 射 窗 出 射 光 瞳 P'' ω' O1 P 孔 径 光 阑 O2 入 射 光 瞳 P'
B' A'
A
O'2 ω
B 图5.2-2
O2是限制视场的光阑
确定视场光阑的方法： (1)把孔径光阑以外的所有光孔经前面的光学系统成 像到物空间，确定入瞳中心位置 (实际上在确定孔径 光阑时这一步骤已完成)。 (2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最 小者即为入射窗，入射窗对应的光学零件(图中为透镜 O2)或光孔即为视场光阑。 入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 2 ， 同时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件 所成的像即为出射窗，出射窗对出瞳中心的张角即为 像方视场角 2 ' 。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
物平面发生 变更，有可 能是孔径光 阑将易主。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
P'1 O'2 A
O1
P1
F'1 P2
O2
P'
孔径光阑的确定方法 首先，将系统中所有零件的光孔成像到物空间， 用计算方法确定其位置和大小 。
P'2
第二步，由物面中心A点对各个像的边缘引直线，入 射光瞳是其中张角最小者，对应的物为孔径光阑。
O1 P P2 O2 P'
B A
U
P''
U'
Q1 Q2
Q1’
P''2
孔径光阑
P'2
入射光瞳 线视场:物方线视场为物高的两倍，以2y表示。像方线视场为 像高的两倍，以2y'表示。
视场角:视场的角度表示。物方视场角为2 ，像方视场角为 2 ' ， 它们分别为物像方线视场上下边缘的主光线之间的夹角。
出射光瞳
Applied Optics
应用光学
授课教师：曹益平 办公地点：基教A-119 联系电话：85463879
第5章
光学系统中的光束限制
光阑 照相系统中的光阑 望远系统中成像光束的选择 显微镜系统中的光束限制与分析 光学系统的景深
本章重点
孔径光阑、视场光阑的确定方法 远心光路 景深
孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中 心连线决定。
入 射 窗 A 出 射 光 瞳 孔 径 光 阑 入 射 光 瞳
B'
O'2 ω
P'' ω' O1 P
O2
P'
A'
B
线视场:物方线视场为物高的两倍，以2y表示。像方 线视场为像高的两倍，以2y'表示。
Hale Waihona Puke 孔径光阑的变化主光线
B P'' A O1 P O2
P' Q2 Q1
P'1
B
-
A
U
P''
O1
P P2
O2
Q1’
P''2
孔径光阑
P'2
Q'1Q'2为入射窗; Q1Q2 本 身 也 为 出射窗。 通常设置在系统 的实像平面或物 平面
出射光瞳