应用光学第四章光学系统中成像光束的限制
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光阑可能改变。
10
轴外情形
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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。
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
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。
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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。
消除渐晕的条件： 只要入射窗（决定了物方视场的大小）与物平面重合，出射 窗与像平面重合就可消除渐晕。
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景深
想一想：为什么看许多照片时感觉远近都清楚？
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。
23
定义：在景像平面上所获得成清晰像的空间深度（Δ） 产生原因：接收器件本身不完善性造成的（衍射的影响）。
在设计光学系统时，必须考虑如何选择成像光束的位 置和大小的问题。
2
共轭原理 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
5
孔径光阑（Aperture Stop） 限制进入光学系统成像光束口径大小的光阑。 决定了光学系统的光能量大小 控制像的亮度 并与像的分辨率有关如：照相机的光圈
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讨论：
①有渐晕时，斜光束的宽度不单由孔径光阑的口径确定，而且还 与其余光学零件或光阑的口径有关。
②有渐晕时，仅仅是轴上像点或靠近光轴的像点的成像光束口径， 才由孔径光阑确定，视场边缘的成像光束口径，则还与其它 光阑的直径有关。
③要了解整个视场内不同部分像点的成像光束，仅仅知道孔径光 阑的口径和位置还不够，必须要考虑系统中所有光阑的影响。
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：能成清晰像的最近的平面
远景平面：能成清晰像的最远的平面
近景深度：近景平面和对准平面的距离
远景深度：近景平面和对准平面的距离
24
景深随入瞳增大而减小、随对准平面距离增大而增大、随放大率或焦距增大而减小
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相对孔径D/f’=2a/f’ 镜头的光圈数＝相对孔径的倒数 如果光圈系数的标称值数字越大，也就表示其实际光圈就越小 对于一定f’,D越大景深越小
对低倍显微系统而言，其 孔径光阑是物镜框（入瞳）； 而出瞳也与人眼眼瞳相重合； 对高倍显微系统而言，其孔 径光阑是专门设置的；对显 微系统而言，其视场光阑是 分划板；位于目镜物方焦点 附近。
光学系统中成像光束ຫໍສະໝຸດ Baidu限制
Limitation of imaging beam in the optical system
1
➢研究背景
理想光学系统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
实际光学系统的成像光束将会受到限制每个光学元件 的大小有限，从而限制了成像光束的宽度和成像范围
位置随光学系统而异6
孔径光阑的确定 入瞳与出瞳
原则:将系统中各光阑 分别经其前面的光学 元件成像于系统的物 空间,其中对轴上点张 角最小的那个像所对 应的光阑即为孔径光 阑A.S.
7
入瞳：孔径光阑经前面光组，在系统物空间所成的像 出瞳：孔径光阑经后面光组，在系统像空间所成的像 入射孔径角----由轴上物点对入瞳半径的张角 出射孔径角----出瞳半径对轴上物点的共轭点所形成的张角 主光线（chief ray）— 通过物点和入瞳中心的光线 边缘光线(marginel ray) —通过物点和入瞳边缘的光线 轴上物点的主光线为光轴 边缘光线必通过孔径光阑和出瞳边缘
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。
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焦深
景深描述物方空间的深度，焦深描述像方空间的深度
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入瞳、孔径光阑、出瞳三者相互共轭
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特性： ①入瞳的位置和直径代表了入射光束的位置和口径；
入瞳描述了一条光线能否通过系统； ②入瞳、孔径光阑、出瞳互为物象共轭； ③通过入瞳中心的光线，经光组后，必然经过孔径光阑和
出瞳的中心； ④通过入瞳边缘的光线，必然成为出瞳的边缘光线； ⑤孔径光阑对一定位置的物点而言，物体位置改变，孔径
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望远镜
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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
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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
方法：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 心张角，其中最小张角者所对应 的光阑即系统的视场光阑.
视场光阑、入窗、出窗共轭
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渐晕
轴上与轴外物点成像光束大小不同的现象称为渐晕。
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线渐晕系数： K D
D D0
面渐晕系数Ks：轴外光束截面面积与轴上光束截面面积之比.
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轴外情形
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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。
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
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。
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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
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➢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。
消除渐晕的条件： 只要入射窗（决定了物方视场的大小）与物平面重合，出射 窗与像平面重合就可消除渐晕。
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景深
想一想：为什么看许多照片时感觉远近都清楚？
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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定义：在景像平面上所获得成清晰像的空间深度（Δ） 产生原因：接收器件本身不完善性造成的（衍射的影响）。
在设计光学系统时，必须考虑如何选择成像光束的位 置和大小的问题。
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共轭原理 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
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孔径光阑（Aperture Stop） 限制进入光学系统成像光束口径大小的光阑。 决定了光学系统的光能量大小 控制像的亮度 并与像的分辨率有关如：照相机的光圈
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讨论：
①有渐晕时，斜光束的宽度不单由孔径光阑的口径确定，而且还 与其余光学零件或光阑的口径有关。
②有渐晕时，仅仅是轴上像点或靠近光轴的像点的成像光束口径， 才由孔径光阑确定，视场边缘的成像光束口径，则还与其它 光阑的直径有关。
③要了解整个视场内不同部分像点的成像光束，仅仅知道孔径光 阑的口径和位置还不够，必须要考虑系统中所有光阑的影响。
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：能成清晰像的最近的平面
远景平面：能成清晰像的最远的平面
近景深度：近景平面和对准平面的距离
远景深度：近景平面和对准平面的距离
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景深随入瞳增大而减小、随对准平面距离增大而增大、随放大率或焦距增大而减小
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相对孔径D/f’=2a/f’ 镜头的光圈数＝相对孔径的倒数 如果光圈系数的标称值数字越大，也就表示其实际光圈就越小 对于一定f’,D越大景深越小
对低倍显微系统而言，其 孔径光阑是物镜框（入瞳）； 而出瞳也与人眼眼瞳相重合； 对高倍显微系统而言，其孔 径光阑是专门设置的；对显 微系统而言，其视场光阑是 分划板；位于目镜物方焦点 附近。
光学系统中成像光束ຫໍສະໝຸດ Baidu限制
Limitation of imaging beam in the optical system
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➢研究背景
理想光学系统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
实际光学系统的成像光束将会受到限制每个光学元件 的大小有限，从而限制了成像光束的宽度和成像范围
位置随光学系统而异6
孔径光阑的确定 入瞳与出瞳
原则:将系统中各光阑 分别经其前面的光学 元件成像于系统的物 空间,其中对轴上点张 角最小的那个像所对 应的光阑即为孔径光 阑A.S.
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入瞳：孔径光阑经前面光组，在系统物空间所成的像 出瞳：孔径光阑经后面光组，在系统像空间所成的像 入射孔径角----由轴上物点对入瞳半径的张角 出射孔径角----出瞳半径对轴上物点的共轭点所形成的张角 主光线（chief ray）— 通过物点和入瞳中心的光线 边缘光线(marginel ray) —通过物点和入瞳边缘的光线 轴上物点的主光线为光轴 边缘光线必通过孔径光阑和出瞳边缘
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。
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焦深
景深描述物方空间的深度，焦深描述像方空间的深度
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入瞳、孔径光阑、出瞳三者相互共轭
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特性： ①入瞳的位置和直径代表了入射光束的位置和口径；
入瞳描述了一条光线能否通过系统； ②入瞳、孔径光阑、出瞳互为物象共轭； ③通过入瞳中心的光线，经光组后，必然经过孔径光阑和
出瞳的中心； ④通过入瞳边缘的光线，必然成为出瞳的边缘光线； ⑤孔径光阑对一定位置的物点而言，物体位置改变，孔径
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望远镜
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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。
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视场光阑的确定 入窗与出窗
视场光阑位置
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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
方法：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 心张角，其中最小张角者所对应 的光阑即系统的视场光阑.
视场光阑、入窗、出窗共轭
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渐晕
轴上与轴外物点成像光束大小不同的现象称为渐晕。
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线渐晕系数： K D
D D0
面渐晕系数Ks：轴外光束截面面积与轴上光束截面面积之比.