光学系统中的光束限制
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光学系统中的光束限制
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当系统在像面或是物面上以及中间像面上没有专 门设置视场光阑时，系统的成像范围将由某个透 镜框或类似器件限制，起限制作用的边框也称作 视场光阑。此时由于物面（或像面）与视场光阑 不重合，系统的成像范围没有清晰的边界，随着 视场的增大，成像的光束逐渐减少直至为零，这 种随视场增大成像光束逐渐减弱的现象称为渐晕 （如图2-54）。
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2.4.1.3．渐晕光阑
我们已经知道，视场光阑与像（物）面不 重合，必然会产生渐晕。但是也经常会有 这种情况，视场光阑设置在像（或物）面 上，但为了减小系统的横向尺寸或改善轴 外物点的成像质量，其它的通光元件适当 地减小尺寸而拦去部分光线，人为地在成 像范围内产生渐晕，起这种光束限制作用 的称之为渐晕光阑。
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例题2-8 ：如图2-52(a)，D1为一透镜，D2为
一光孔，用作图法判断何者为孔径光阑.
解：将D1、D2在物方求“像”。由于D1前面无 透镜，它在物方的像D1′就是其本身，D2对D1 成像于D2′，如图2-52(b)。 由物点A连接D1′、D2′的边缘，张角分别为 U1、U2,比较得出U2 <U1 ，所以D2为孔径光阑。
2.4.1 光阑的种类及其应用
光学系统中的光束最基本的限制有两种， 一是对系统成像光束孔径的限制，二是对 系统成像视场范围的限制。 我们把对光束起限制作用的元件统称作光 阑，两类基本限制的光阑被分别称为孔径 光阑和视场光阑。此外还有起部分拦光作 用的渐晕光阑和消杂光光阑。
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2.4.1.1 孔径光阑
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我们把孔径光阑在物方空间的共轭“像”称为 入瞳，在像方空间的共轭像称为出瞳。 因此例题2-8中D2′为入瞳，D2在像方所成的 像D2″(图中未标出)为出瞳。由光束限制的共 轭关系可知，孔径光阑对光束的限制就是入瞳 对物方入射光束的限制或出瞳对像方出射光束 的限制。
工程光学 第4章 光学系统中的光束限制
lz'=20.5mm
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
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
第五章 光学系统中的光束限制
视场光阑对成像范围的影响
视场光阑对主光线的限制
视场光阑对轴外点光束的限制
其他光阑对轴外点成像光束的阻拦
E
照相机系统
望远镜系统
望远系统简图
显微系统
光学系统的景深
在景象平面上获得清晰像的空间深度：成像空间的景深 成清晰像的最远平面为远景平面，距对准平面距离为远景深度 成清晰像的最近平面为近景平面，距对准平面距离为近景深度
孔径光阑例
光阑的像
入瞳：孔径光阑被其前面光组在系统物空间 所成的像称为系统的入射光瞳 出瞳：孔径光阑被其后面光组在系统像空间 所成的像称为系统的出射光瞳 物方孔径角：物面中心至入瞳边缘引线夹角 像方孔径角：像面中心至出瞳边缘引线夹角
视场光阑、入窗、出窗
视场光阑：限制物体成像范围的光阑 判断：
前景深与后景深
正确透视距离观察：入瞳直径越小，景深越大；拍摄距离越大，景深越大 明视距离观察：景深还与焦距有关，焦距越小，景深越大
相同光圈，不同物距
不 同 焦 距
相同物距，不同光圈
远心光路
物方远心光路
光学量仪测量原理
1. 物镜与像面距离按放大倍数确定，固定不变 2. 带有刻度的分划板在物镜像面上，格值考虑了放大倍 数 3. 通过调整整个系统相对物的距离，使被测物成像于分 划板平面上 4. 按刻度读出物的长度
求每个光阑被前面光组所成像 由入瞳中心向各光阑在物空间的像的边缘引线 对入瞳中心张角最小的光阑像对应的Fra bibliotek阑即为 视场光阑
视场光阑例
入窗：视场光阑被其前面光组在系统物空间 所成的像称为系统的入射窗 出窗：视场光阑被其后面光组在系统像空间 所成的像称为系统的出射窗 物方视场角：入窗边缘对入瞳中心所张的角 像方视场角：出窗边缘对出瞳中心所张的角
光学系统中的光束限制
[ 考试要求 ]要求考生了解三种典型的目视光学仪器中的光束限制、系统的景深和远心光路。
[ 考试内容 ]与光阑相关的定义，光阑的种类和作用，照相系统、显微系统、望远系统中的光束限制和特点，远心光路的定义、光路和应用，景深的定义等。
［作业］P73： 1、 3、 4第四章光学系统中的光束限制§4－1 光阑在光学系统中的作用一、光阑1、定义：光学系统中设置的带有内孔的金属薄片，是专用光阑。
光阑一般垂直于光轴放置，且其中心与光轴中心相重合。
2、形状：光阑多为圆形、正方形、长方形，有些光阑的尺寸大小是可以调节的（即可变光阑）。
例如：人眼瞳孔就是光阑，瞳孔的大小随着外界明亮程度的不同是可以变化的，白天最小 D＝2mm,晚上最大，可达 D=8mm。
3、光阑作用：是用内孔限制成像光束大小的，提高成像质量。
孔径光阑图 4— 1孔径光阑对轴上点光束的限制二、光阑种类主要分为：孔径光阑和视场光阑。
1、孔径光阑（有效光阑）：指限制进入系统的成像光束口径的光阑。
1）对轴上点：孔径光阑决定了轴上点孔径角的大小。
结论 1：轴上点孔径角的大小受光阑大小和位置的影响，孔径角U 由光阑决定，光阑的位置不同，其口径应不同。
2）对轴外点：MA M' A'NL N' L(a) (b)图 4— 2孔径光阑对轴外点光束的限制结论 2：对轴外点B发出的宽光束而言，在保证轴上点U 不变的情况下，光阑处于不同位置时，将选择不同部分的光参与成像，这样通过改变光阑的位置，就可以选择成像质量较好的部分光束参与成像，提高（改善）成像质量。
小孔A A'图 4—3孔径光阑和物体位置的关系结论 3：在保证成像质量的前提下，合理选取光阑的位置，可使整个系统的横向尺寸减小，结构匀称。
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。
2、视场光阑：用以限制成像范围的光阑。
视场光阑的形状多为正方形、长方形。
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。
第五章1 光学系统中光束的限制解析
距为 f '1 80mm ，通光口径D1 40mm ， L2透镜的焦
距为，f '2 30mm 通光口径 D2 40mm ， L2在L1的后
面50mm的位置处，现一束平行于光轴的光射入，1）试判
断系统的孔径光阑；2）求系统入瞳的大小和位置；3）求
系统出瞳的大小和位置
分析：该系统是一个没有专设光阑的双光组系统，故双透 镜的边框都可能是潜在的孔径光阑，又根据题意要求射入 系统的是平行光，故而孔径光阑的判断需要根据物在无限 远时的方法来加以分析，即将两个透镜的边框都通过前面 的光组进行成像，直径最小的像就是系统入瞳，各像的大 小和位置可以根据高斯公式进行计算。再根据入瞳判断出 孔径光阑，而孔径光阑经过后面系统在像空间所成的像就 为出瞳，
物点和入瞳中心的连线称为主光线，主光线也通过 孔阑和出瞳的中心。
入瞳中心P是所有主光线的交点。
物方孔径角2U,像方孔径角2U′, 2U最小2U′也必最 小。
孔径光阑的设置原则
（1）对目视仪器，人眼瞳孔起着限制光束的作用。 因此，应确保光学系统的出瞳和人眼瞳孔在位置 上重合，大小也应匹配合适。
（2）入瞳和光学零件重合时，零件口径最小；越远离 光学零件，则零件尺寸越大；
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
所有光 学系统 都有
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）
二、光阑的位置
视场光阑 一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有
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。
距为，f '2 30mm 通光口径 D2 40mm ， L2在L1的后
面50mm的位置处，现一束平行于光轴的光射入，1）试判
断系统的孔径光阑；2）求系统入瞳的大小和位置；3）求
系统出瞳的大小和位置
分析：该系统是一个没有专设光阑的双光组系统，故双透 镜的边框都可能是潜在的孔径光阑，又根据题意要求射入 系统的是平行光，故而孔径光阑的判断需要根据物在无限 远时的方法来加以分析，即将两个透镜的边框都通过前面 的光组进行成像，直径最小的像就是系统入瞳，各像的大 小和位置可以根据高斯公式进行计算。再根据入瞳判断出 孔径光阑，而孔径光阑经过后面系统在像空间所成的像就 为出瞳，
物点和入瞳中心的连线称为主光线，主光线也通过 孔阑和出瞳的中心。
入瞳中心P是所有主光线的交点。
物方孔径角2U,像方孔径角2U′, 2U最小2U′也必最 小。
孔径光阑的设置原则
（1）对目视仪器，人眼瞳孔起着限制光束的作用。 因此，应确保光学系统的出瞳和人眼瞳孔在位置 上重合，大小也应匹配合适。
（2）入瞳和光学零件重合时，零件口径最小；越远离 光学零件，则零件尺寸越大；
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
所有光 学系统 都有
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）
二、光阑的位置
视场光阑 一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有
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。
光学系统中的光束限制
远心光路，孔阑在焦平面上。
其他光学系统，可以选择，以改善成像质量。
2
1
A
B
减小横向尺 寸，改善成
像质量
注：光阑位置改变时，应改变光阑孔径，以保证轴上 点光束孔径角不变。 光学系统中的光束限制
2.视场光阑： ①视场光阑的位置是固定的，总是设在实像面或 中间实像面上。如：照相机底片。如果系统没有 这种实像面，则不存在视场光阑。 ②形状可以是圆形的，如显微系统和望远系统； 可以是方形的，如照相系统。 ③物、像方线视场：物、像高的2倍——线视场 视场角：物方视场角 2和像方视场角 2。是物像 方线视场上下边缘主光线之间的夹角。
B2
2y A
2
2
B 1
投影屏幕框
A 2 y
物平面 B1
透 镜 光学系统中的光束限制
像平面 B2
3.渐晕光阑
定义：限制轴外成像光束宽度，改变轴外点成 像质量。
渐晕：轴外物点发出的能通过孔径光阑和视场 光阑的成像光束被部分拦截，这种现象称为渐 晕。
作用：提高轴外物点成像质量（慧差），减小 仪器体积。
透镜
A
A
B
渐晕光阑光学孔系统径中的光光束阑限制
视场光阑
渐晕光阑多为透镜框。在一些系统中，允许有 一定渐晕——改善成像质量，但像面上轴外点 照度小于轴上点照度。
A 2u
B
孔径光阑 渐晕光阑
光学系统中的光束限制
B
A
视场光阑
4.消杂散光光阑 定义：限制杂散光（视场外的光、金属表面、
光学表面、镜筒内壁的反射散射光）。
视场光阑 限制物空间能被光学系统成像的范围
光
阑
渐晕光阑 限制轴外成像光束宽度，改变轴外点 成像质量
现代工程光学第5章光学系统中光束的限制
18
(续1：)
或者
n1(u1 y1 u1 y1) n1(u1y1 u1y1) Ж (1)
等式左边的折射率和角度量对应于折射前（物空间）的相关参量，等式 右边表示折射后（像空间）的对应参量 。
n(uy uy) Ж 被定义为某折射面的拉格朗日不变量它对任意多次折
射过程均保持不变。
光线从一个面过渡到下一个面的过程中 Ж 的性质
根据光学系统拉格朗日不变量的性质，有
Ж n1u1h1 nkuk hk
—简称光学系统的 拉赫不变量。
21
(续：)
例：用拉赫不变量计算像的高度
m hk hk n1u1 1.0 0.025 h1 10 nkuk 1.0 (0.0999617)
与光线追迹得到的高度一致（见表2.3-2）。
2.共轴球面系统的拉赫不变量
5
(续:)
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。 对称于光阑的对称式系统，其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。
相对孔径以入瞳直径和焦距的比值表示: DEP f'
F数:相对孔径的倒数
f # f ' DEP 如：f 8 或 f :8
F数也被写成像方数值孔径NA的形式
NA nsinU
物在无限远时，F数和NA有如下关系：
F数= f # = 1
2NA
6
5.2 主光线与边光线 视场光阑
一、主光线与边光线
入瞳
A
边光线
物体
y
u
y
O
主光线
u z
通过入瞳中心的光线称为主光线，主光线是各个物点发出的成像光 束的光束轴线，它也同时通过孔经光阑和出射光瞳中心。 边光线是轴上物点发出的成像光束中通过入瞳边沿的光线。 边光线和主光线是两条特殊的子午光线，它们一起决定了物、像和 光瞳性质。
(续1：)
或者
n1(u1 y1 u1 y1) n1(u1y1 u1y1) Ж (1)
等式左边的折射率和角度量对应于折射前（物空间）的相关参量，等式 右边表示折射后（像空间）的对应参量 。
n(uy uy) Ж 被定义为某折射面的拉格朗日不变量它对任意多次折
射过程均保持不变。
光线从一个面过渡到下一个面的过程中 Ж 的性质
根据光学系统拉格朗日不变量的性质，有
Ж n1u1h1 nkuk hk
—简称光学系统的 拉赫不变量。
21
(续：)
例：用拉赫不变量计算像的高度
m hk hk n1u1 1.0 0.025 h1 10 nkuk 1.0 (0.0999617)
与光线追迹得到的高度一致（见表2.3-2）。
2.共轴球面系统的拉赫不变量
5
(续:)
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。 对称于光阑的对称式系统，其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。
相对孔径以入瞳直径和焦距的比值表示: DEP f'
F数:相对孔径的倒数
f # f ' DEP 如：f 8 或 f :8
F数也被写成像方数值孔径NA的形式
NA nsinU
物在无限远时，F数和NA有如下关系：
F数= f # = 1
2NA
6
5.2 主光线与边光线 视场光阑
一、主光线与边光线
入瞳
A
边光线
物体
y
u
y
O
主光线
u z
通过入瞳中心的光线称为主光线，主光线是各个物点发出的成像光 束的光束轴线，它也同时通过孔经光阑和出射光瞳中心。 边光线是轴上物点发出的成像光束中通过入瞳边沿的光线。 边光线和主光线是两条特殊的子午光线，它们一起决定了物、像和 光瞳性质。
第五章1 光学系统中光束的限制
解：（一）判断系统的孔径光阑
1、将 L1 的边框经过前面的光学系统成像到系统的物空间，
由于前面没有成像元件故
即 ，若 D '1 D1 60 mm
tgu 1 30 120
边框的像 L1
就是自身， L '1
对轴上物点的张角为 则有 L '1 u1
0 . 25
2、将光阑AB经过前面的光学系统 L1 成像到系统的物空 间，设其像为 A ' B '则由高斯公式有
孔径光阑、入瞳、出瞳三者之间互为共轭关系。
入瞳和出瞳的作用：
入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口；出瞳 是物面上各点发出光束经整个光学系统以后从最后一 个光孔出射的共同出口。 物点和入瞳中心的连线称为主光线，主光线也通过 孔阑和出瞳的中心。 入瞳中心P是所有主光线的交点。 物方孔径角2U,像方孔径角2U′, 2U最小2U′也必最 小。
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所有光学系统都有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与眼瞳重合
§ 5-3 光学系统中的视场光阑和渐晕光阑
一、视场光阑
光学系统中只能有一个视场光阑，视场光阑的位置和 孔径将直接限制物面或像面的成像范围，而其孔径大
小通常是由光学系统的设计要求来决定，并且力求在
0 . 19
4、比较三个像L '1 , L ' 2 , A ' B ' 对轴上物点张角的大小，并 判断入瞳及孔径光阑 由于 tgu 1 0 . 25 , tgu 2 0 . 27 , tgu 3 0 . 19 ，显然张角 u 3 最小，即 L ' 2 对入射光束起到最大的限制作用，为系统
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。
第五章 光学系统的光束限制
2
由此可得物方视场的大小为
y y'
（5-2） （物为有限距离，其中
为系统的放大率）
视场计算
y' tg f'
（5-3）
（物在无限远，其中
f ' 为系统的焦距）
视场光阑与中间实像面重合的计算方法 类似，只需将其中 或 f ' 用分系统的参数代入。
视场计算
2．视场光阑与物面重合 当视场光阑与物面重合时，视场光阑的 大小就是物的大小，此时
渐晕及其计算
例5-3：对例5-2给出的系统，求渐晕系数
K D 0.7 时的系统视场光阑和最大的视场范围。
解 在前例求得的入瞳基础上，比较各器件的 视场角。如图5-13所示，在入瞳P的直径上根 据渐晕系数0.7截取一点Q，使得
D 0.7DP ' 0.7 2 1.4(mm)
由Q点连接L1和L2′ 的边缘，得到视场角
视场光阑 物 平 面 A 入瞳 P1
L1
B1
B2 B3
P2
L2
图5-11
渐晕及其计算
渐晕的大小可以定量计算，我们把入瞳 面上轴外物点通过系统的光束直径Dω 与 轴上物点通过系统的光束直径D0之比称为 线渐晕系数KD。（见图5-12），即
入瞳 P 1
D KD D0
（5-6）
A
D
P
B
2 视场光阑
同孔径光阑一样，我们把视场光阑 在物方空间的共轭“像”称为入射窗， 简称入窗，视场光阑在像方空间的共 轭像称为出射窗，简称出窗。视场光 阑、入窗、出窗三者之间的共轭关系 类似于孔径光阑、入瞳、出瞳三者的 共轭关系，它们在各自空间对视场 （或光束）的限制是等价的。
由此可得物方视场的大小为
y y'
（5-2） （物为有限距离，其中
为系统的放大率）
视场计算
y' tg f'
（5-3）
（物在无限远，其中
f ' 为系统的焦距）
视场光阑与中间实像面重合的计算方法 类似，只需将其中 或 f ' 用分系统的参数代入。
视场计算
2．视场光阑与物面重合 当视场光阑与物面重合时，视场光阑的 大小就是物的大小，此时
渐晕及其计算
例5-3：对例5-2给出的系统，求渐晕系数
K D 0.7 时的系统视场光阑和最大的视场范围。
解 在前例求得的入瞳基础上，比较各器件的 视场角。如图5-13所示，在入瞳P的直径上根 据渐晕系数0.7截取一点Q，使得
D 0.7DP ' 0.7 2 1.4(mm)
由Q点连接L1和L2′ 的边缘，得到视场角
视场光阑 物 平 面 A 入瞳 P1
L1
B1
B2 B3
P2
L2
图5-11
渐晕及其计算
渐晕的大小可以定量计算，我们把入瞳 面上轴外物点通过系统的光束直径Dω 与 轴上物点通过系统的光束直径D0之比称为 线渐晕系数KD。（见图5-12），即
入瞳 P 1
D KD D0
（5-6）
A
D
P
B
2 视场光阑
同孔径光阑一样，我们把视场光阑 在物方空间的共轭“像”称为入射窗， 简称入窗，视场光阑在像方空间的共 轭像称为出射窗，简称出窗。视场光 阑、入窗、出窗三者之间的共轭关系 类似于孔径光阑、入瞳、出瞳三者的 共轭关系，它们在各自空间对视场 （或光束）的限制是等价的。
应用光学第四章光学系统中成像光束的限制
28
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。
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。
05 光学系统中的光束限制
入瞳直径D：当D越小，其景深越大，反之则相反； 从DF=f ’可知，若想获得较大的景深需要较大的光圈指数F， 但这时在f ’ 不变的情况下，入瞳较小所进入的光能也较小， 需要较长的曝光时间。 当共轭面的β一定时， f ’ 越长，则对准平面越远，即p越大 ，景深越大。
入窗
入射光瞳具有一定大小时，没 有渐晕的情况也是存在的。 入射窗和物平面相重合。
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
二、视场光阑、入射窗、出射窗
综上所述，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， 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。
B1
z1
P1 P1’ A D B2
△l2
z2 ’
A’ B1’
B2’
D’
z2
△l △l1
P2 P2’
P’1
p2
z1 ’
P’ P’2
P p1
由于
p f '
那么
f f' x p
三、光学系统的景深和焦深 Mp Mp l1 p1 p l 2 p p 2 D M D M
一个光学系统是能对空间物体成一个清晰的平面像 能在像平面上获得清晰像并沿光轴方向的物空间深度称为 成像空间深度(景深)
三、光学系统的景深和焦深
B1
z1
P1 P1’
A D
z2 ’
A’ B1’
B2’
D’
z2
△l △l1 △l2
B2
P2 P2’
P’1
p2
z1 ’
入窗
入射光瞳具有一定大小时，没 有渐晕的情况也是存在的。 入射窗和物平面相重合。
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
二、视场光阑、入射窗、出射窗
综上所述，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， 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。
B1
z1
P1 P1’ A D B2
△l2
z2 ’
A’ B1’
B2’
D’
z2
△l △l1
P2 P2’
P’1
p2
z1 ’
P’ P’2
P p1
由于
p f '
那么
f f' x p
三、光学系统的景深和焦深 Mp Mp l1 p1 p l 2 p p 2 D M D M
一个光学系统是能对空间物体成一个清晰的平面像 能在像平面上获得清晰像并沿光轴方向的物空间深度称为 成像空间深度(景深)
三、光学系统的景深和焦深
B1
z1
P1 P1’
A D
z2 ’
A’ B1’
B2’
D’
z2
△l △l1 △l2
B2
P2 P2’
P’1
p2
z1 ’
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
光学系统中光束的限制
１ 概 述
光束 系统中光束 的限制包括两方 面的 内容 ：① 成像光束 口径 的限 制； ②成像空 间的限制 。成像光束 口径增大 ， 使像面照度增加 ， 但 像的清 晰度下 降， 同样 ， 成像空 间增大 ， 导致像质变坏。为 了获得 良好的像质， 必 须对光学系统 的成像光束 口 径和 成像空间进行 限制 ， 光学 系统 中的光 阑
【 文章编 号 】 １ ０ ０ ４ — ７ ３ ４ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ — ０ ２ ３ ５ 一 Ｏ １
光 学 系统 中光束 的限制
秦 咏 菊
（ 中国振华集 团永光 电子有限公司 贵阳 ５ ５ ０ ０ ０ １ ）
摘 要： 光学 系统除满足物像共 轭位置和成像 放大率 的要 求外 ， 还 要有一 定的成像 范围 ， 以及为获得一 定的像面 照度和反 映物面 细节 的能力 ， 在成像 范围 内各物 点应具有适 当的光束 口径 。本 文就光学系统 中光束的限制进行 论述讨论 。 关键词 ： 光学系统 ； 光束； 光 阑； 成像 ： 孔径
的成像 范围， 轴外点发 出的部分光来还可 能被 其他光 阑所 阴拦 ， 这 种现
＾
若光组 由透镜 １和光阑 ２组成 ， 光 阑在透镜之后， 显然 ， 由物 点 Ａ向 ４ 结束 语 综上所 述， 孔径光阑和视场光 阑是光学系统 中起重要作用 的两种 光 透镜 １ 边缘孔光线是可 以的， 但是 由 Ａ直接 向光 阑 ２的边缘孔光 线却不 前者主要 了限制成像光束 的孔径， 即决定像 的照度 ， 后 者决定视场 ， 行， 因此 它前面有透镜 １ ， 物点 Ａ和 它不发生直接关系 ， 这条光线通过透 阑， 即物 定被成像 的范 围。 镜时 要发生折射 ， 它不再通过光 阑 ２的边缘 ， 为了确定该光组 的孔径光
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．
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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：
(a)
(b)
光学系统中的光束限制
光学系统中的光束限制
三、视场光阑
光学系统能够清晰成像的范围也是有限 的，能清晰成像的范围在光学系统中称为视 场，视场的大小也有相对应的光阑来加以限 定，这种光阑称视场光阑。
实像面上的通光孔限制了 物空间垂轴方向成像范围
在实际光学系统中，孔径光阑的位置和大小， 亦即入射光瞳或出射光瞳的位置和大小是十分重
要的参量。
孔径光阑的大小是由光学系统对成像光能量 的要求和对物体细节的分辨能力的要求而决定。
孔径光阑的位置则直接影响光学系统成像的 清晰度和光学系统中各零件的尺寸。
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。
透镜
前一课小结
两光组的组合
f ' f 1
l'
l
光学系统中的光束限制
本课提纲
一、孔径光阑 1、孔径光阑的定义、作用和判断方法； 2、入瞳、出瞳的定义、性质和求解方法；
二、视场光阑 视场光阑的定义、判断方法、视场大小的确定方法。 三、渐晕光阑
了解渐晕光阑的定义和判断方法。 四、景深 五、几何像差
光学系统中的光束限制
光学系统中的光束限制
孔径光阑的位置在有些光学系统中有特定的要求 ，如目视光学系统，出射光瞳一定要在系统外，以 便与眼瞳重合，达到良好的观察效果。
如无特殊要求，光学系统中孔径光阑位置的合理 选择可以对光学零件口径提出合理的要求。
孔径光阑光位学置系统对中光的学光束零限件制 口径的影响
光学系统中孔径光阑位置的合理选择也可以改善 轴外点成像光束的质量：
光学系统中的光束限制
**渐晕光阑
导致像面亮度渐晕(即渐弱)的光阑， 或：限制轴外点成像光束宽度的光阑。
A B
C
若有，则可能有多个。
渐晕：由于实际透镜的有限口径尺寸，轴外点光束
较之轴上点光束宽度小很多，导致像平面边缘部分
成像比中心部分暗的现象。
渐晕光阑多为透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制
第九章 光学系统像差基础
第一节 光学系统中的光阑及其作用
光学系统除满足物像共扼位置和成像放大率 的要求外，还要有一定的成像范围，以及为获得 一定的像面照度和反映物面细节的能力,在成像 范围内各物点应具有适当的光束口径，这就是光 束限制的问题。
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需要限制:
特点：可能有，可能没有；若有，则只有一个。 一般设在实像平面上。其形状根据系统的要求为
圆形(如显微，望远等系统)或方形、矩形(如照相系统) 光学系统中的光束限制
等形状。
视场光阑经其前面光学系统成的像称入射窗，简称入 窗；视场光阑经它后面光学系统成的像称出射窗，简称出 窗．入射窗和出射窗对整个光学系统是共扼的。
渐晕光阑
限制轴上点成像光束孔径角的大小 限制横向视场的大小 产生像面亮度渐晕(即亮度渐弱)
消杂光光阑 消除杂散光
孔径光阑和视场光阑是任何光学系统都有的两种 主要光阑。
光学系统中的光束限制
二、孔径光阑：在光学系统具有的多个光阑中，限制
成像光束口径大小的光阑（限制作用 最大），也称为“有效光阑”。
作用：限制和选择成像光束，调节入射光能和像质； 特点：总有且只有一个通光孔是孔径光阑。 影响：像面亮度，清晰度，景深，像差，观察效果等。
(1) 自然限制：光学元件的有限尺寸； (2) 人为限制：金属圈(框)或成像底片。
光学系统中的光束限制
怎样合理限制光束以满足成像要求，解决横 向和纵向成像范围，像面清晰度和亮度均匀性， 像差，观察效果等问题，是通过光学系统各零件 一定的横向尺寸来实现的，均与光阑有关，或者 说，光束限制是通过“光阑”来实现的。
光学系统中的光束限制
入瞳、出瞳及其共轭关系
孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在物空间所成的像 称为入射光瞳，简称入瞳，它是入射光束的入口。 孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在像空间所成的像 称为出射光瞳，简称出瞳，它是出射光束的出口。
光学系统中的光束限制
显然，入射光瞳、孔径光阑、
出射光瞳三者是相互共轭的。
光学系统中的光束限制
当物体在无限远时，习惯用前面定义的视场角2w或2w ’表示 角视场．当物体在有限距离时，习惯用入瞳(或出瞳)中心与入窗 (或出窗)边缘连线和物面交点之间的线距离来表示视场，称线视 场2y(或2y’)．
无论是用角视场还是线视场来表示成像范围，其成像范围的 大小均由入射窗或出射窗的大小决定。
轴外点成像光束，以改善轴外物点成像质量及减小仪
器的径向尺寸。
光学系统中的光束限制
**消杂光光阑：仪器中能遮挡和吸收杂散光的元件
• 这种光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制
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。这些光称为杂光。 • 杂光最后进入成像面，将使像面叠加一明亮背景，使 像的衬度降低。为此需要利用消杂光光阑尽量把杂光拦掉 ，起着改善像质的作用。 • 在一般光学系统中，常常采用把镜管内壁加工成内螺 纹并使其发黑等措施消杂光；对某些镜筒很长的重要光学 系统(如天文望远镜，长焦距平行光管等)，需要专门设计 消杂光光阑。
在光学系统中，用于限制成像光束口径、或者限制 成像范围的光孔或框，都统称为“光阑”。
光阑 —— 光学系统中的通光孔， 或：限制成像光束孔径角的光学元件。
作用：1. 限制成像光束孔径角大小；2. 限制和选择轴外 点成象光束； 3. 控制光通量；4. 挡掉杂散光
光学系统中的光束限制
一、光阑分类
按作用 孔径光阑 可分为： 视场光阑
对整个光学系统来说，出射光瞳也是入射光瞳的像 ，二者对整个光学系统是共扼的。
若孔径光阑的位置对整个光学系统而言， 孔径光阑位于光学系统的最前端，则孔径光阑就
是入瞳； 若孔径光阑位于光学系统的最后端，则孔径光阑就
是出瞳。 入瞳:它决定了光学系统物方的成像光束的孔经角,可
看成成像光束的公共的入口。 出瞳:它决定了光学系统像方的孔径角，可看成成像 光束的公共出光学口系统。中的光束限制
注：通过入瞳中心的光线称为主光线，它也同时通过孔经光阑和出射光瞳中心。
对理想光学系统而言，主光线（或主光线的延长线）必通过入瞳、孔径光阑
和出瞳的中心。
光学系统中的光束限制
实际光学系统中， 孔径光阑和视场光阑是同时存在的，由入瞳中心至 入射窗直径边缘所引连线的夹角，或者说，过入射窗边 缘两点的主光线间的夹角称为物方视场角，用2w表示; 同样，由出瞳中心至出射窗直径边缘所引连线的夹 角，也就是过出射窗边缘两点的主光线间的夹角称为像 方视场角，用2w ’表示．
孔径光阑对轴外点光束的限制：
(a)
(b)
光学系统中的光束限制
光学系统中的光束限制
三、视场光阑
光学系统能够清晰成像的范围也是有限 的，能清晰成像的范围在光学系统中称为视 场，视场的大小也有相对应的光阑来加以限 定，这种光阑称视场光阑。
实像面上的通光孔限制了 物空间垂轴方向成像范围
在实际光学系统中，孔径光阑的位置和大小， 亦即入射光瞳或出射光瞳的位置和大小是十分重
要的参量。
孔径光阑的大小是由光学系统对成像光能量 的要求和对物体细节的分辨能力的要求而决定。
孔径光阑的位置则直接影响光学系统成像的 清晰度和光学系统中各零件的尺寸。
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。
透镜
前一课小结
两光组的组合
f ' f 1
l'
l
光学系统中的光束限制
本课提纲
一、孔径光阑 1、孔径光阑的定义、作用和判断方法； 2、入瞳、出瞳的定义、性质和求解方法；
二、视场光阑 视场光阑的定义、判断方法、视场大小的确定方法。 三、渐晕光阑
了解渐晕光阑的定义和判断方法。 四、景深 五、几何像差
光学系统中的光束限制
光学系统中的光束限制
孔径光阑的位置在有些光学系统中有特定的要求 ，如目视光学系统，出射光瞳一定要在系统外，以 便与眼瞳重合，达到良好的观察效果。
如无特殊要求，光学系统中孔径光阑位置的合理 选择可以对光学零件口径提出合理的要求。
孔径光阑光位学置系统对中光的学光束零限件制 口径的影响
光学系统中孔径光阑位置的合理选择也可以改善 轴外点成像光束的质量：
光学系统中的光束限制
**渐晕光阑
导致像面亮度渐晕(即渐弱)的光阑， 或：限制轴外点成像光束宽度的光阑。
A B
C
若有，则可能有多个。
渐晕：由于实际透镜的有限口径尺寸，轴外点光束
较之轴上点光束宽度小很多，导致像平面边缘部分
成像比中心部分暗的现象。
渐晕光阑多为透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制
第九章 光学系统像差基础
第一节 光学系统中的光阑及其作用
光学系统除满足物像共扼位置和成像放大率 的要求外，还要有一定的成像范围，以及为获得 一定的像面照度和反映物面细节的能力,在成像 范围内各物点应具有适当的光束口径，这就是光 束限制的问题。
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需要限制:
特点：可能有，可能没有；若有，则只有一个。 一般设在实像平面上。其形状根据系统的要求为
圆形(如显微，望远等系统)或方形、矩形(如照相系统) 光学系统中的光束限制
等形状。
视场光阑经其前面光学系统成的像称入射窗，简称入 窗；视场光阑经它后面光学系统成的像称出射窗，简称出 窗．入射窗和出射窗对整个光学系统是共扼的。
渐晕光阑
限制轴上点成像光束孔径角的大小 限制横向视场的大小 产生像面亮度渐晕(即亮度渐弱)
消杂光光阑 消除杂散光
孔径光阑和视场光阑是任何光学系统都有的两种 主要光阑。
光学系统中的光束限制
二、孔径光阑：在光学系统具有的多个光阑中，限制
成像光束口径大小的光阑（限制作用 最大），也称为“有效光阑”。
作用：限制和选择成像光束，调节入射光能和像质； 特点：总有且只有一个通光孔是孔径光阑。 影响：像面亮度，清晰度，景深，像差，观察效果等。
(1) 自然限制：光学元件的有限尺寸； (2) 人为限制：金属圈(框)或成像底片。
光学系统中的光束限制
怎样合理限制光束以满足成像要求，解决横 向和纵向成像范围，像面清晰度和亮度均匀性， 像差，观察效果等问题，是通过光学系统各零件 一定的横向尺寸来实现的，均与光阑有关，或者 说，光束限制是通过“光阑”来实现的。
光学系统中的光束限制
入瞳、出瞳及其共轭关系
孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在物空间所成的像 称为入射光瞳，简称入瞳，它是入射光束的入口。 孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在像空间所成的像 称为出射光瞳，简称出瞳，它是出射光束的出口。
光学系统中的光束限制
显然，入射光瞳、孔径光阑、
出射光瞳三者是相互共轭的。
光学系统中的光束限制
当物体在无限远时，习惯用前面定义的视场角2w或2w ’表示 角视场．当物体在有限距离时，习惯用入瞳(或出瞳)中心与入窗 (或出窗)边缘连线和物面交点之间的线距离来表示视场，称线视 场2y(或2y’)．
无论是用角视场还是线视场来表示成像范围，其成像范围的 大小均由入射窗或出射窗的大小决定。
轴外点成像光束，以改善轴外物点成像质量及减小仪
器的径向尺寸。
光学系统中的光束限制
**消杂光光阑：仪器中能遮挡和吸收杂散光的元件
• 这种光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制
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。这些光称为杂光。 • 杂光最后进入成像面，将使像面叠加一明亮背景，使 像的衬度降低。为此需要利用消杂光光阑尽量把杂光拦掉 ，起着改善像质的作用。 • 在一般光学系统中，常常采用把镜管内壁加工成内螺 纹并使其发黑等措施消杂光；对某些镜筒很长的重要光学 系统(如天文望远镜，长焦距平行光管等)，需要专门设计 消杂光光阑。
在光学系统中，用于限制成像光束口径、或者限制 成像范围的光孔或框，都统称为“光阑”。
光阑 —— 光学系统中的通光孔， 或：限制成像光束孔径角的光学元件。
作用：1. 限制成像光束孔径角大小；2. 限制和选择轴外 点成象光束； 3. 控制光通量；4. 挡掉杂散光
光学系统中的光束限制
一、光阑分类
按作用 孔径光阑 可分为： 视场光阑
对整个光学系统来说，出射光瞳也是入射光瞳的像 ，二者对整个光学系统是共扼的。
若孔径光阑的位置对整个光学系统而言， 孔径光阑位于光学系统的最前端，则孔径光阑就
是入瞳； 若孔径光阑位于光学系统的最后端，则孔径光阑就
是出瞳。 入瞳:它决定了光学系统物方的成像光束的孔经角,可
看成成像光束的公共的入口。 出瞳:它决定了光学系统像方的孔径角，可看成成像 光束的公共出光学口系统。中的光束限制
注：通过入瞳中心的光线称为主光线，它也同时通过孔经光阑和出射光瞳中心。
对理想光学系统而言，主光线（或主光线的延长线）必通过入瞳、孔径光阑
和出瞳的中心。
光学系统中的光束限制
实际光学系统中， 孔径光阑和视场光阑是同时存在的，由入瞳中心至 入射窗直径边缘所引连线的夹角，或者说，过入射窗边 缘两点的主光线间的夹角称为物方视场角，用2w表示; 同样，由出瞳中心至出射窗直径边缘所引连线的夹 角，也就是过出射窗边缘两点的主光线间的夹角称为像 方视场角，用2w ’表示．