应用光学课件第四章

三、光阑位置的确定
场阑：相对固定，通常为系统或其中间实像面上的镜框或设 置的专用光阑，如照相机的底片框、分划板框等。 孔阑：其位置随系统而异，有些系统对其位置有特定要求： 目镜或目视系统：孔阑或其实像在外，眼瞳与之重合，接受 系统出射的全部成像光束；一般把眼瞳也当一个光阑考虑。 远心光路：孔阑必须设置在系统的焦面上。 其他情况：孔阑位置的合理选择，有助于改善轴外物体的成 像质量、减小后方光组的通光孔径。
§4-3 光学系统的景深
对平面物体成像的系统：电影放映物镜、制版物镜及投影仪等。 对空间物体成像的系统：可以在同一像平面上得到物空间中远近不同
的物点的清晰像-----平面上的空间像：望远镜、照相物镜、摄影系统等。
一、光学系统的空间像
从物像共轭上看空间像与平面物体的像是有本质的不同：“一 对一”和“多对一”、成像原则也不尽一样。 B4 1 空间物体的平面像 B1 B 入出 a B01 瞳瞳 景像平面 B4 b B 对准平面 B2 3 B2 B3 P P A 空间点的平面像： A 以入瞳中心点P为 B02 b 透视(投影)中心，将 B03 B1 B1 空间点沿主光线方向 B2 B3 a B4 向对准平面投影，投 影点在景像平面上的 B04 B 共轭点。
H
H
P p lz
三、显微系统中的光束限制

显微系统的光阑设置：
孔径光阑：一般情况下，设置为物镜框； 视场光阑：分划板框。 提问：入瞳、出瞳、入窗、出窗各在哪里？

孔 物 阑 镜
场 阑
目 镜
出 瞳
四、远心光路

在测量显微镜中，分划板(场阑)与物镜固定以保证设计的放大 倍率。孔阑设置为物镜框，调焦不准，像面与分划板不重合， 产生测量误差。 场阑 孔 物 阑 镜
P1 P 1
A
P P
P2 z2 B2 P2 -p2 -p -p1 B1
2a
A
z1
1
2
p1
p
p2
可见：物空间中对准平面外的物点B1和B2在景像平面上的像为 一弥散斑，只要这些弥散斑正好不为接受器所分辨，则过B1和B2 点垂直于光轴的平面分别为远景平面和近景平面。B1B2之间的距 离即为景深。可见确定景深，首先要确定弥散斑的大小。 设对准平面和景像平面上的弥散斑直径分别为z1、z2和z1、z2, 则有： z1= z1 z2= z2 由图中相似三角形的关系，有：
入 瞳
出 瞳
P P
二、光学系统的景深
1、景深的基本概念
理想光学系统理论：物空间的一个平面物在像空间只有一个像 面与之共轭。
实际光学系统：对准平面外的空间物点在景像平面上的“像” 是一个弥散斑，只要该弥散斑小于一定限度，仍可认为是一个点 像。因为任何接受器（如眼睛、感光乳剂、光电接收器件等）都 不是完善的，存在缺陷。当弥散斑小到接收器无法分辨时，该弥 散斑对接收器而言就是一个清晰的像点。
P Q
- -
P
k = D/D
八、视场与渐晕的关系


我们看到：视场越大，渐晕越大。可以断定：视场大到一定 程度，轴外物点充满入瞳的光束将会被渐晕光阑全部拦掉。 物空间的渐晕：以一个渐晕光阑的情况为例。
入瞳
物面
渐晕 光阑
M1
A B1 B2 B3
P1
M
M2
P P2 可见：AB1：k=100%; B1B2：k =100~50%; B2B3：k=50~0%; B3->：k=0。 最大视场：规定渐晕系数后由渐晕光阑决定。
A2
A1
A2
A1
孔阑、入瞳与出瞳的关系： 入瞳与孔阑相对于孔阑前的部分光组共轭； 出瞳与孔阑相对于孔阑后的部分光组共轭； 因此，出瞳与入瞳相对于整个光学系统共轭。
五、入射光窗与出射光窗
视场光阑可能位于系统前面，也可能位于后面，还可能位于中间。为方便讨论系统物像方光 束限制的具体情况，我们定义：
六、视场角
物方视场角：入窗对入瞳中心的张角2，表示物方成像范围 的大小； 像方视场角：出窗相对于出瞳中心的张角2，表示像方成像 范围的大小。 主光线：通过入瞳（孔阑、出瞳）中心的光线。因此，视场角 为相应主光线与光轴的夹角。
y tg 入窗 l lz
出瞳
孔阑
入瞳
场阑 出窗
y
P Q
-y
- -
-lz
P
l
-l
lz
y tg l lz
七、渐晕与渐晕光阑
渐晕：轴外物点发出的充满入瞳的光线被部分地遮拦的现象。
导致轴外物点的成像光束小于轴上物点，边缘像比中心暗。
渐晕光阑：产生渐晕的光阑。一般为孔阑与场阑之外的其他光 学元件的镜框。 渐晕与视场：在不设场阑的系统(伽俐略望远镜)中，视场由渐晕光 阑确定，即视场与渐晕大小有关。 渐晕系数k：轴外点与轴上点通过孔阑的光束直径之比为线渐 晕系数，面积之比为面渐晕系数。 入瞳 出瞳 孔阑
P0 A P0
A
S2 S1
S1
对准 平面
入瞳
出瞳
景像 平面
S2
A P P A
S1 (S2)
景像畸变：当系统视场很大(如广角物镜)，设物体为一系列球状 物，这些球状物对入瞳中心P构成一系列圆锥状光束，它们的共 轭光束也是圆锥状光束，该圆锥状光束在景像平面上的投影即为 球状物的平面像。显然，它随视场角ω的不同而异，这种现象就 是景像畸变。
无限远，出窗像重合在像方无限远。孔阑位置可： 与物镜重合
位于物镜前
位于物镜后 出瞳位于目镜像方焦点外靠近焦点的地方，观察时人眼与之 重合。

伽俐略望远系统：不能设置视场光阑，眼瞳为孔阑(出瞳)，
物镜框和目镜框起到渐晕光阑作用。
光瞳衔接原则：两个光学系统联用时，前一系统的出瞳与
后一系统的入瞳重合，否则会产生光束切割，即前一系统的成 像光束中有一部分被后面的系统拦截不能参与成像。
§4-2 典型光学系统的光束限制
一、照相系统中的光束限制
1、照相系统的组成
照相镜头：对物体成像； 可变光阑（光圈）： 改变成像光束的宽度，调节 光能量以适应不同的照明条件； 感光底片： 记录物体的像(形成潜像，显影、 定影反转像);
2、照相系统中的光阑设置
孔径光阑：设置在镜头中间，如当薄透镜对待(初始计算时)，可 认为与镜头重合； 入瞳、出瞳。 视场光阑：与底片重合，底片框为视场光阑。 入窗、出窗。
景深的概念：由于接收器的缺陷，当入瞳大小一定时，能在景 像平面上成清晰像的物方空间深度叫做景深。能成清晰像的最近 和最远物面叫做近景[平面]和远景[平面]，它们到对准平面的距离 分别为近景深度和远景深度。
二、光学系统的景深
2、景深的大小
远 景 B1 对准 平面
z1
近 景
景像 平面 B2
入 瞳 出 瞳 z2

3、照相系统的光束结构


孔阑与镜头重合 入瞳、出瞳与孔阑三者重合，这时物体成像无渐晕。 光窗 孔径位于镜头后面 入瞳为虚像，在镜头右边，出瞳与孔阑重合，成像有渐晕。
二、望远系统的光束限制
1、望远系统的组成
物镜、目镜、分划板、棱镜(转像、折转光路)。
2、光阑的位置 开普勒望远镜系统：场阑为分划板边框，入窗与物重合在
ห้องสมุดไป่ตู้
出瞳距：目视系统与人眼联用，人眼的入瞳即是眼瞳。为满
足光瞳衔接原则，目视系统的出瞳在目镜后，而且到目镜像方 主面应保持一定距离，这个距离即称出瞳距(lz)。
镜目距：目镜最后一面顶点到出瞳的距离(p)：

一般系统：p6mm；
军用系统： p20mm；
枪瞄系统： p可达40mm。
以要求孔径角的光束成像。 理想光学系统：对无限大物体以任意宽的光束成像。 实际光学系统：由于光学零件的尺寸和镜筒大小限制，成像光束宽度
和成像范围是有限的。不同的光学系统，对成像范围和成像光束的要求是不 同的。因此，如何确定光学系统的成像范围、合理选择成像光束对实际光学 系统而言，是非常重要的。
几款摄影物镜
C C1
B B1 A C C1 B B1
A
y y1
物方远心光路：为减小测量误差，将孔阑设置在物镜的像
方焦平面上：入瞳何在？主光线平行光轴入射，不同位置物点 的出射主光线方向不变。尽管成像光束在分划板上为一弥散斑， 但其中心位置不变，故不会产生测量误差。 场 阑
C C1
物 镜
B B1
入射光窗：视场光阑经过其前面部分的光学系统在整个系统的 物方空间所成的像，主要限制系统物方空间中物体成像的范围。 简称入窗。 出射光窗：视场光阑经过其后面部分的光学系统在整个系统的 像方空间所成的像，主要限制系统像方空间中成像的范围。简 称出窗。 当然：实际起视场限制作用的是视场光阑。 场阑、入窗与出窗的关系： 入窗与场阑相对于场阑前的部分光组共轭； 出窗与场阑相对于场阑后的部分光组共轭； 因此，出窗与入窗相对于整个光学系统共轭。
第四章 光学系统中的光束限制
§4-1 光学系统中的光阑
一、概 述
成像要求：1) 对给定的物体在给定的共轭距离上按要求的倍率成像；
2) 具有给定的成像范围； 3) 具有一定的光度水准，即有一定的亮度； 4) 具有一定的分辨本领，反应物体一定的细节。 1) 决定了系统的轴向尺寸，2) 决定于系统的视场，3~4) 决定于成像光束的 立体角或孔径角。2~4) 可归纳为：光学系统应对成像范围以内的物点

四、入射光瞳与出射光瞳
孔径光阑可能位于系统前面，也可能位于后面，还可能位于中间。为方便讨论系统物像方 光束限制的具体情况，我们定义：
入射光瞳：孔径光阑经过其前面部分的光学系统在整个系统 的物方空间所成的像，主要限制系统物方空间中物点发出光 束的孔径角。简称入瞳。 出射光瞳：孔径光阑经过其后面部分的光学系统在整个系统 的像方空间所成的像，主要限制系统像方空间中到达像点的 光束的孔径角。简称出瞳。 入瞳 出瞳 孔阑
天塞型物镜 f=299.12mm;2w=20;D/f=1:4.5.
反远距广角摄影物镜 f=97.4mm, 2w=84, D/f=1:1.2
超广角物镜 f=100mm,2w=110, D/f=1:4
二、光阑及其种类 1光 阑
系统中限制成像光束大小和范围的通光孔：镜框或专设孔 一般为圆形，也有方形，个别其他形状。相机：可变光阑 光阑平面垂直于光轴，中心位于光轴上。
2、透视失真和景像畸变
对准 平面 S1 S2
入瞳 出瞳
景像 平面
透视失真
当投影中心(入瞳中心)前后移动 时, 投影像的变化与景物不成比例, 这种现象叫透视失真。 当入瞳位于P0时，空间物点S1和 S2在景像平面上的平面像，即其共 轭像在景像平面上相对出瞳中心的 投影S1和S2是分开的。而当入瞳 移至P位置时，S1和S2的平面像却 是重合在一起的。这种入瞳中心移 动导致空间物点的平面像点之间关 系的变化与景物之间的关系不成比 例，即为透视失真。
孔 阑
F
C C1 B
y y1
B1
像方远心光路

在经纬仪、水准仪等大地测量仪器中，物镜的放大率随测量标尺位置的不同而异。 将一已知刻度的标尺置于望远镜物镜前被测距离处，物镜后面分划板平面上刻有一 对间隔为已知的测距丝，如果孔阑与物镜重合，则调焦(目镜与分划板一起 相对物镜移动)不准，像与分划板不重合，就会引入测量误差。
2 光阑的种类
根据光阑的性质与作用，光阑可分为： 孔径光阑 限制成像光束的立体角，在子午面内就是限制轴上 点成像光束中边缘光线的最大倾斜角----光束孔径角。孔阑(瞳孔) 视场光阑 限制物体成像范围的大小。 场阑(窗口) 这是两种主要光阑，一般系统都存在(伽俐略望远镜除外)。 渐晕光阑 部分遮拦轴外物点的成像光束，使轴外物体的成像 光束比轴上点小，亮度有所降低。(目的) 消杂光光阑 遮拦非成像的杂散光：视场外的物体发出的光、 镜头内部“透-反”或“反-透”、金属内壁反射和散射的光。 =>内壁车消光螺纹并氧化发黑吸收杂散光、专设消杂光光阑。


如果将孔阑设在物镜的物方焦面上，则通过孔阑中心的主光线 经过物镜后均平行于光轴，即出瞳在像方。
在测量光学系统中尽量考虑远心光路。
b
B
b
C
五、转像系统与场镜

有时系统中为加长光路或转像的需要，在系统中间加入转像系 统，从而实现加长筒长并使整个系统成正像的目的。 很显然：转像系统的加入，使得后续光组（目镜）的孔径增大、 像质变差； 为了缩小转像系统和目镜的孔径，在物镜像面上增加上一个光 组，压低轴外光线的孔径，这个位于像面上或像面附近的镜组 称为场镜。 目镜 转像 系统 场镜 物镜 出 (孔阑) 瞳