五光学系统中光束限制精品PPT课件
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工程光学基础第4章光学系统的光束限制.pptx
3 、渐晕光阑 4 、消杂光光阑
光学系统中的渐晕
一、轴外物点的渐晕 二、消除渐晕的条件 三、渐晕系数
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。
• 14、Thank you very much for taking me with you on that splendid outing to London. It was the first time that I had seen the Tower or any of the other fam ous sights. If I'd gone alone, I couldn't have seen nearly as much, because I wouldn't have known my way about.
10、人的志向通常和他们的能力成正比例。14:13:1114:13:1114:1311/25/2020 2:13:11 PM 11、夫学须志也，才须学也，非学无以广才，非志无以成学。20.11.2514:13:1114:13Nov-2025-Nov-20 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。14:13:1114:13:1114:13Wednesday, November 25, 2020 13、志不立，天下无可成之事。20.11.2520.11.2514:13:1114:13:11November 25, 2020
（一）长景深的照片
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。
光学系统中的渐晕
一、轴外物点的渐晕 二、消除渐晕的条件 三、渐晕系数
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。
• 14、Thank you very much for taking me with you on that splendid outing to London. It was the first time that I had seen the Tower or any of the other fam ous sights. If I'd gone alone, I couldn't have seen nearly as much, because I wouldn't have known my way about.
10、人的志向通常和他们的能力成正比例。14:13:1114:13:1114:1311/25/2020 2:13:11 PM 11、夫学须志也，才须学也，非学无以广才，非志无以成学。20.11.2514:13:1114:13Nov-2025-Nov-20 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。14:13:1114:13:1114:13Wednesday, November 25, 2020 13、志不立，天下无可成之事。20.11.2520.11.2514:13:1114:13:11November 25, 2020
（一）长景深的照片
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。
工程光学第四章 光学系统中的光阑和光束限制PPT课件
c. 对轴外光束像差校正； d. 各光学元件的口径匹配。
ppt精选版
17
4、主光线（Chief ray）：
★定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。
出瞳
Q
1
L1
孔径光阑 L 2
Q1
入瞳
Q 1 B
A
Q
Q
Q2
Q A
B
C
Q
2
Q 2
★ 理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。 ★ 主光线是通过孔径光阑、并参与成像的物光束的中心光线。
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ppt互精选为版 物像关系。
12
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
25
速度控制:在同一环境下，光圈和快门是相辅相成的，光圈 越大，进入的光线就越多，所需的快门时间就越短，反之， 光圈越小，快门速度就越慢，因而可以通过光圈来调节快 门。
与快门优先区别:快门优先用于你对快门有要求的时候，如你 拍摄高速运动的物体，快门必须要快一些，所以你控制快门， 由相机控制光圈。需要注意的是，光圈的可调范围小于快门， 所以用快门优先时，如果你把快门调得太快或太慢，相机是 没有办法正确曝光的。
F，H，f 焦点、主点在无 焦穷 距远 为， 无穷大
望远镜系统是以平行光入射，再以平行光出射的系统
望远镜系统作为 一个光组的构成
由ff1f2 得0
最简单的望远镜系统至少有两个
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4、主光线（Chief ray）：
★定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。
出瞳
Q
1
L1
孔径光阑 L 2
Q1
入瞳
Q 1 B
A
Q
Q
Q2
Q A
B
C
Q
2
Q 2
★ 理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。 ★ 主光线是通过孔径光阑、并参与成像的物光束的中心光线。
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ppt互精选为版 物像关系。
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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
25
速度控制:在同一环境下，光圈和快门是相辅相成的，光圈 越大，进入的光线就越多，所需的快门时间就越短，反之， 光圈越小，快门速度就越慢，因而可以通过光圈来调节快 门。
与快门优先区别:快门优先用于你对快门有要求的时候，如你 拍摄高速运动的物体，快门必须要快一些，所以你控制快门， 由相机控制光圈。需要注意的是，光圈的可调范围小于快门， 所以用快门优先时，如果你把快门调得太快或太慢，相机是 没有办法正确曝光的。
F，H，f 焦点、主点在无 焦穷 距远 为， 无穷大
望远镜系统是以平行光入射，再以平行光出射的系统
望远镜系统作为 一个光组的构成
由ff1f2 得0
最简单的望远镜系统至少有两个
工光05光学系统的光束限制
B的上边缘光线被 O2拦 B的下边缘光线被 O1拦
B的实际成像光束孔径要 小些
U
A
O1
P1
Q1
B A
Q
O2
P
B
Q2
P2
当视场光阑与物面或像面不重合时，视场必 然产生渐晕。
光孔离孔阑越远 越易引起渐晕
2019/1/21
第五章 光学系统的光束限制
20
物平面
渐晕
视场光阑
入瞳
A
B1
B2
B3
B1发出的光束都不被拦 B2发出的光束主光线以下 被拦
2019/1/21
D1 6
D2 6
再将光孔P经透镜L1成像： f 20m m l 40m m D2 2m m 同理计算得：l 40m m 2m m DP 透镜L1本身在物空间，不必成 像， 所有结果转回 180，绘图。
第五章 光学系统的光束限制
12
入射光瞳和出射光瞳
孔径光阑在光学系统的物空间的共轭像称为入射光瞳，简称入瞳； 孔径光阑在光学系统的像空间的共轭像称为出射光瞳，简称出瞳； 孔径光阑、入瞳、出瞳三者互为共轭关系，它们对成像光束的限制 作用是等价的。
2019/1/21
第五章 光学系统的光束限制
13
入瞳和出瞳的图解法
P 1
P1
Q1
像方孔径角
u O2
2019/1/21
第五章 光学系统的光束限制
18
视场范围的计算
视场光阑与像面重合 视场光阑设在中间像面 ，相对于后面系统为物 面 视场光阑
入瞳
孔径光阑 视场光阑
y
视场角 w
F
w视场角
－lz
－l
B的实际成像光束孔径要 小些
U
A
O1
P1
Q1
B A
Q
O2
P
B
Q2
P2
当视场光阑与物面或像面不重合时，视场必 然产生渐晕。
光孔离孔阑越远 越易引起渐晕
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第五章 光学系统的光束限制
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物平面
渐晕
视场光阑
入瞳
A
B1
B2
B3
B1发出的光束都不被拦 B2发出的光束主光线以下 被拦
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D1 6
D2 6
再将光孔P经透镜L1成像： f 20m m l 40m m D2 2m m 同理计算得：l 40m m 2m m DP 透镜L1本身在物空间，不必成 像， 所有结果转回 180，绘图。
第五章 光学系统的光束限制
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入射光瞳和出射光瞳
孔径光阑在光学系统的物空间的共轭像称为入射光瞳，简称入瞳； 孔径光阑在光学系统的像空间的共轭像称为出射光瞳，简称出瞳； 孔径光阑、入瞳、出瞳三者互为共轭关系，它们对成像光束的限制 作用是等价的。
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第五章 光学系统的光束限制
13
入瞳和出瞳的图解法
P 1
P1
Q1
像方孔径角
u O2
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第五章 光学系统的光束限制
18
视场范围的计算
视场光阑与像面重合 视场光阑设在中间像面 ，相对于后面系统为物 面 视场光阑
入瞳
孔径光阑 视场光阑
y
视场角 w
F
w视场角
－lz
－l
第5章光学系统中的光束的限制
一、景深
§5-4光学系统的景深
对准平面 景象平面
远景平面
近景平面
远景深：远景平面到对准平面的距离1 p1 p 近景深：近景平面到对准平面的距离 2 p p2 景深：远景平面到近景平面的距离 1 2
p1 p Z1 2a p1 p p2 Z 2 2a p2
例：有一焦距为140mm的薄透镜组，通光 直径为40mm，在镜组前50mm处有一直径 为30mm的圆形光孔。问实物处于什么范 围时，光孔为入射光瞳？处于什么范围时， 镜组本身为入射光瞳？对于无穷远物体， 镜组无渐晕成像的视场角和渐晕一半时的 视场角各为多少？
解：
x 15 x 50 20
x 150
B的上边缘光线被 O2拦，B的下边 缘光线被O1拦， B的实际成像光束 孔径要小些 由轴外发出的充满入瞳的光被部分遮拦的现 象叫渐晕。引起渐晕的光阑称渐晕光阑，
渐晕光阑的确定方法
当一个光学系统无视场光阑时：将系统 中各光阑逐个地对其前面光学系统成像， 求出系统的入瞳。将所有这些像对入瞳 中心求张角，其中最小张角者所对应的 光阑即系统的渐晕光阑.
①当实物在距圆形光孔150mm以外，圆形 光孔为入瞳。 当实物在距圆形光孔150mm以内，透镜组 为入瞳 ②物体在无穷远时，圆形光孔为入瞳，透 镜组为渐晕光阑 无渐晕成像时，
15 tan( u ) 0.1 150 u 5.71o
2u 11.42
o
③渐晕一半时，
20 tan( u ) 0.4 50 u 21.8 o 2u 43.6 o
说明: (1)光学系统孔径光阑与系统和物平 面位置有关。 (2)当物(像)位于无穷远时，在物(像)空 间比较张角变为比较光阑的像的大小。 二、入射光瞳和出射光瞳 入瞳—孔径光阑通过其前面光学系统所成 的像，决定进入系统光束的大小 物方孔径角：由轴上物点对入瞳半径的张角 入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同 入口
第5章 光学系统中的光束限制
5.1 光阑及其作用
一、光阑的概念
通光孔径：限制进入光学系统中光束尺寸的 光孔的内孔大小称为通光孔径。 光阑：透光孔，起限制光束的作用。
B
P1
Q1
A
A
P2
Q2
L1
L2
孔径光阑
二、光阑的分类
孔径光阑
视场光阑
所有光学系 统中都有
限制轴上物点成像光束立体角或平 面光束孔径角的光阑
限制物空间能被光学系统成像的范围 限制轴外成像光束宽度，改变轴外点 成像质量
第5章 光学系统中的光束限制
教学目标：
牢固掌握孔径光阑的确定方法，掌握入瞳、 出瞳概念。 掌握视场光阑的确定方法，掌握入射窗和 出射窗的概念。 理解渐晕的概念和成像范围。 了解景深的概念和影响因素。 了解物、像方远心光路。
5.1 光阑及其作用
主要内容： 光阑的概念 光阑的分类 光阑的位置
两种特殊情况
（1）景深为对准平面直到无限远的整个物空间 , 对准平面在何处？
对 准 平 面
p2 a
Δ2
入 瞳
出 瞳
p
2a
1
p
2
景 象 平 面
2a p
p
2a
p2 p 2
a
z z1 z D p 2
z
z z1 z 2
p
1 2
4 ap
2
4a p
2 2
2
1
p
2
2a p
2
p
第五章 光学系统中的光束限制
孔径光阑FF 孔径光阑★孔径光阑、入瞳与出瞳1L 2L Q1Q 2Q 2Q '1Q 'Q '2Q ''1Q ''Q ''A 'B 'A CB 出瞳入瞳孔径光阑例：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）f/64假设：透镜口径足够大M ´N ´M N A ´A。
轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称为⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧ωD三、照相系统的光阑总结孔径光阑在物镜中的位置例2 望远镜系统中成像光束的选择转像m 望远镜系统简化图DD f '物f -目与人眼联用满足ω物体直接对眼睛张角的正切之比。
f f '-'物望远镜系统简化图DD f '物f -目出瞳入瞳h z物h z目h z分★追迹主光线的投射高度望远镜系统的光阑位置h z 物h z 目h z 分1）光阑在物镜的左侧10mm（ω=4.25°）：o o tg( 4.25)10mm tg( 4.25)0.75mm 9.25mm z z h l =--=-⨯-≈物；；tan k h ()tan y f ω''=-同一位置不同景深的图片光圈英文名称为Aperture，用来控制透过镜头进入机身内感光面的光量，是相机一个极其重要的指标参数，通常在镜头内。
它的大小决定着通过镜头进入感光元件的光线的多少。
表达光圈大小用F值，其中，F=镜头的焦距/镜头的有效口径的直径。
不同光圈的效果（一）长景深的照片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。
（二）短景深照片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。
第四章光学系统中的光阑和光束限制 ppt课件
一光阑被它前面光
组所成的像。(2) 再由入瞳中心向各光阑在物空间所成
像的边缘引光线，找出其中对入瞳中心张角最小的那
个光阑像，与此张角最小的光阑像对应的那个光阑即
为视场光阑。
D3’
D1 D1’ D2
D2’
视场光阑
D3
ω1
ω2
ω3
孔径 光阑
入瞳
§4.2 照相系统中的光阑
轴外点成像光束位置确定后，计算边缘视场上、下边缘 光线，以确定各个光学零件的实际通光口径。
望远镜光学系统小结：
两个光学系统联用时，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。 望远镜的物镜框是系统的孔径光阑。 分划板框是望远系统的视场光阑。目镜是渐晕光阑，
(2) 物镜上； (3)物镜右侧10mm.
出瞳直径： D'5mm
视场角： 415'
入瞳直径： D D ' 6 5 3m 0m
若孔径光阑在（2）位置上，分划板上一次实像像高：
y'f物'ta n8mm
分划板框限制了系统视场。因此分划板框为视场光阑。
表4-1 通光口径
在第二种位置时，即将物镜框作为系统的孔径 光阑，物镜口径最小。
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
L：照相镜头 A： 可变光阑 B：感光底片
组所成的像。(2) 再由入瞳中心向各光阑在物空间所成
像的边缘引光线，找出其中对入瞳中心张角最小的那
个光阑像，与此张角最小的光阑像对应的那个光阑即
为视场光阑。
D3’
D1 D1’ D2
D2’
视场光阑
D3
ω1
ω2
ω3
孔径 光阑
入瞳
§4.2 照相系统中的光阑
轴外点成像光束位置确定后，计算边缘视场上、下边缘 光线，以确定各个光学零件的实际通光口径。
望远镜光学系统小结：
两个光学系统联用时，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。 望远镜的物镜框是系统的孔径光阑。 分划板框是望远系统的视场光阑。目镜是渐晕光阑，
(2) 物镜上； (3)物镜右侧10mm.
出瞳直径： D'5mm
视场角： 415'
入瞳直径： D D ' 6 5 3m 0m
若孔径光阑在（2）位置上，分划板上一次实像像高：
y'f物'ta n8mm
分划板框限制了系统视场。因此分划板框为视场光阑。
表4-1 通光口径
在第二种位置时，即将物镜框作为系统的孔径 光阑，物镜口径最小。
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
L：照相镜头 A： 可变光阑 B：感光底片
现代工程光学第5章光学系统中光束的限制
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(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L1边框的像 L '1 就是 自身，即 D '1 40 mm 2、将L2的边框经过前面的光学系统L1成像到系统的物 空间，设像 L ' 2 为，则由高斯公式有 1）L ' 2 的位置：
1 l '1 1 l1 1 f '1 1 l '1 1 50 1 80 l '1 133 mm
即系统的出瞳位于 L 2 右侧处75mm，口径为60mm
40 例2：两个薄透镜 L1 , L 2 的口径分别为D1 60 mm , D 2 ，mm
焦距分别为
f '1 90 mm , f ' 2 50 mm
，在 L1 , L 2 之间距离
L 2 为20mm处放入一个带有内孔的光阑AB，内孔的
例1：一个双薄透镜L1，L2构成的光学系统， L1透镜的焦 距为 f '1 80 mm ，通光口径 D1 40 mm ， L2透镜的焦 距为， ' 2 30 mm 通光口径 D 2 40 mm ， L2在L1的后 f 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，
光学系统中光束限制-精品
光学系统中光束限制-精品2020-12-12【关键字】条件、空间、问题、要点、系统、提出、位置、理想、作用、关系、改善、实现、中心1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.前几章主要讨论的特性。
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。
透镜的大小限制A点发出的成像光束的孔径角，像面的大小限制成像范围，它们都是对光束的限制，称为光阑。
•光阑的概念光阑：起限制成像光束作用的透光孔。
•光阑的位置•孔径光阑一个光学系统有若干个透光孔，其中哪一个是孔径光阑？是最前面的一个吗？是最小的一个吗？请看动画：何为孔阑要依当时的条件而定。
物体位置变了，孔阑可能会变。
当物体位置一定时，有一个光孔最限制成像光束的宽（角）度——孔阑要找到孔阑，首先应使所有的光孔处于同一。
请看找孔阑的过程：•入射光瞳和出射光瞳所有光孔投射到第一光孔的物空间，对轴上物点A张角最小的光孔“像”所共轭的光孔为孔径光阑，该光孔“像”称入射光瞳，这个张角称物方孔径角2U。
所有光孔投射到最后一个光孔的像空间，对轴上像点A’张角最小的光孔“像”所共轭的光孔为孔径光阑，该光孔“像”称出射光瞳，这个张角称像方孔径角2U’。
入瞳直径与焦距之比称为相对孔径。
通过入瞳中心的光线必通过孔阑中心，并过出瞳中心。
通过入瞳边缘的光线必通过孔阑边缘，并过出瞳边缘。
孔阑、入瞳和出瞳之间的共轭关系可用下图表示：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。
入瞳中心是所有主光线的交点。
•视场光阑、入射窗、出射窗：在光学系统中，起限制成像范围作用的光孔称为视场光阑(以下简称视阑)。
(工程光学教学课件)第4章 光学系统中的光束限制
★入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）
决定光学系统的入射光束的孔径角。
★出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）
决定光学系统的出射光束的孔径角。
【例1】单个薄透镜系统
孔径光阑 （入瞳）
出瞳
入瞳
孔径光阑 （出瞳）
★ 如果孔径光阑就安放在透镜上，则孔径光阑本身既是系统 的入瞳，也是系统的出瞳。
例：有一个由三个光学零件组成的光组，透镜O1, 其口径D1＝4mm．f’1=36mm，透镜O2，其口径 D2＝12mm，f’2=15mm,二透镜间隔195mm，在 离透镜O1右180mm处设有一光孔D3＝10mm，物 点离透镜Ol为-45mm．1）求孔径光阑和入瞳出 瞳的大小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的大 小和位置？
第一节 光阑（Stops）
光阑——光学系统中用一些中心开孔的薄金属片来合 理地限制成像光束的宽度、位置和成像范围，此薄金属 片称为光阑。
★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。
★ 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。
180
195
D2=12mm
O2
பைடு நூலகம்
（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳
2 tgU1 450.044
tg2U425.742/4 .2151.6
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
19155 1.2 6m 5 191 55
m D'1ll'11•D111.6295 540.3m 3 m
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Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2013
出射光瞳对像面中心点A’的张角P’1A’P’2: 像方孔径角U
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
入射光瞳经整个光学系统成的像为出射光瞳, 两者对整个光学 系统共轭.
实际进入光学系统的光量由入瞳决定. 入瞳决定了物点成像光束的最大孔径,并且是物面上 各点成像光束的公共入口.
Chapter 5 光束限制
Engineering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2013
出瞳(Exit Pupil): 孔径光阑被其后面的镜组在系统像空间所 成的像.
1) 把光具组中所有光阑当作物，逐个地相对其前方系 统成像。
2) 由轴上物点向每个像的边缘引直线，其中与主光轴 所夹锐角最小的入射孔径角对应的像即为入射光瞳， 入射光瞳对应的共轭物即为孔径光阑。
Chapter 5 光束限制
当实际光组中有多个光阑时，确定方法为： ⑴：各个光学孔径成像到物空间； ⑵：由物点向光阑像边缘引光线，找出光线与光轴的夹角； ⑶：夹角最小者所对应的光阑即为孔径光阑。
若孔径光阑位于系统的最前边，则系统的入瞳就是孔径光阑； 若孔径光阑位于系统的最后边，则孔径光阑是系统的出瞳 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。 主光线是物面上各点成像光束的的中心线,他们构成了以入 瞳中心为顶点的同心光束.
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
确定孔径光阑的方法
要求也不同。
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
光阑 --- 在光学系统中限制成像光束口径、或者 是限制成像范围的光孔或框称为光阑。
分为: 孔径光阑
视场光阑 渐晕光阑
B1 A1
A2
B2
L
B
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
➢夹持光学零件的金属框（透镜框、棱镜框）限制了成像
光束的大小。 ➢光孔的大小是可变化的，这种光阑称为“可变光阑” 。
确定方法可以通过图解法，也可以通过解析法。
Chapter 5 光束限制
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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。
D1
D2
D3
A
F1,F2
L1
d1 d2
Chapter 5 光束限制
图解法
为了使各光阑和物点A产生直接联系，把它们全部
成像到物空间去。
D3 '
D1
D2 D2 '
D3
Chapter 5 光束限制
由物点向各个像边缘引光线，得到夹角最小者所对应 的光阑即为孔径光阑。
D’3
实际离开光学系统的光量由出瞳决定. 出瞳是物面上各点成像光束自系统出射时的公共出口. 出瞳是入瞳经整个系统成的像.
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
Q1Q2: 孔径ering Optics Dr. F. Guo Qingdao TECH Spring 2013
The aperture stop (AS) is defined to be the stop or lens ring, which physically limits the solid angle of rays passing through the system from an on-axis object point. The aperture stop limits the brightness of an image.
主光线必然通过孔径光阑中心和出瞳中心.
主光线是物面各点发出的成像光束的中心光线. 通过入瞳边缘的光线也必通过孔径光阑和出瞳的边缘。 光学系统中的孔径光阑只是对一定的物体而言. 物体位置变化, 原来的孔阑可能会失去限制光束的作用, 成像光束被其他光孔限 制.
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
M1 M2
N1
L
N2
孔径光阑对轴上点的光束和轴外光束限制
12
Chapter 5 光束限制
出射光瞳
P1′
L1
L2
-U
-y
P'
U— 物方孔径角
P2′
U′— 像方孔径角
Q Q Q2
孔径光阑
入射光瞳
P1
U' y' P
P2
Chapter 5 光束限制
入瞳(Entrance pupil) :孔径光阑被其前面的光学镜组在物空 间所成的像.
Chapter 5 光束限制
第五章 光学系统中光束限制
5.1 5.2 视场光阑 5.3 渐晕光阑与渐晕系数 5.4 光学系统的景深
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
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
➢光阑是实际光学系统成满意（完善）像必不可少的零件。
Chapter 5 光束限制
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5.1 孔径光阑
孔径光阑 (Aperture stop)--- 限制成像光束立体角, 决定了 轴上点成像光束中最边缘光线的倾斜角(光束的孔径角)
入射光瞳对轴上物点A的张角P1AP2: 物方孔径角U 对轴上点边缘光线做光路计算时所取的孔径角为该角. 通过物点和入射光瞳中心的光线称为主光线(Chief ray) 通过物点和入瞳边缘的光线称为边缘光线 (marginal ray)
Chapter 5 光束限制
5.1 孔径光阑
Q1Q2: 孔径光阑 P’1P’2 : 出瞳