4-第四章-光学系统中的光阑与光束限制

第一节光阑第二节照相系统的光阑第三节望远镜系统中成像光束的选择第四节显微镜系统中的光束限制与分析第五节光学系统的景深第四章光学系统中的光阑(Stops)实例：透镜边缘、框架、特别设置的带孔屏障等。作用：限制成像光束孔径、限制视场（成像范围）。第一节光阑1、孔径光阑的定义和作用一、孔径光阑(ApertureStops)★含义1：限制轴上物点成像光束孔径角大小的光阑。入射孔径角出射孔径角★含义2：孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成像光束的孔径角不变。★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。例1：单个薄透镜系统2、入射光瞳与出射光瞳（EntranceandExitpupils）★入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）——可直接确定入射孔径角★出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）——可直接确定出射孔径角——入射（或出射）光线的延长线过入（或出）瞳的边缘1）入瞳（或出瞳）为孔径光阑的共轭实像2）入瞳（或出瞳）为孔径光阑的共轭虚像例2：孔径光阑不是单纯的处在物方或像方1）对称照相镜头2）三片型照相镜头出瞳入瞳F孔径光阑F孔径光阑物像关系后面光学系统入瞳出瞳孔径光阑前面光学系统整个光学系统★小结：孔径光阑、入瞳与出瞳1L2LQ1Q2Q)U2Q1QQ2Q1QQAyBAyB出瞳入瞳孔径光阑(U1）入瞳：决定光学系统的入射光束的孔径角。2）出瞳：决定光学系统的出射光束的孔径角。3）孔径光阑：实际对光束孔径限制作用最大的光阑。决定了入瞳、出瞳；三者互为物像关系。(1)目视光学仪器的孔径光阑3、关于孔径光阑需要注意的几个问题★两个光学系统联用共同工作时，要遵从光瞳衔接原则。——前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合；保证后面系统接收全部出射光束时，入瞳孔径最小。——出瞳是所有物点成像光束的必经之路，在该截面光束基本重合。例3：显微镜系统（与眼睛连用）(2)光路中孔径光阑的判断Q1:不同位置的轴上物点，谁是孔径光阑？Q2:几个口径确定的透镜组合，如何判断确定的轴上物点位置的孔径光阑?★轴上物点对成像张角比较法1L2LQ1Q2Q)U2Q2L1QQAAAa.将光学系统所有光阑（透镜边框和光圈等），对其前面的光学系统（物空间）成像，求像之大小和位置；b.由轴上物点向各像边缘、第一个透镜边缘分别作连线，求张角最小值即为入瞳，相应的共轭物为孔径光阑；c.孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。例4：已知物点A离透镜1的距离为-l1=30mm，透镜1的通光口径D1=30mm,光孔2的直径D2=22mm，像点A’离透镜的距离l1´=60mm，透镜与光孔之间距离为d=10mm，试确定这个系统的孔径光阑、入瞳和出瞳。ABA'B'12解：判断孔径光阑：轴上物点的成像张角比较法1）透镜1框内孔相对于前面光学系统的像与自身重合。2）光孔2相对于前面透镜成像：11222222260,3020;10,202044llfldfllDDDmml透镜焦距：光孔关于透镜的像：，；像的大小：111llf2′ABA'B'12111221223026.5652(30)2()4423.7492(3020)DUarctglarctgDUarctgllarctg3）D1，D2'对轴上物点A的张角：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。1)U2)U2′2(U(3)孔径光阑位置的安放原则：a.目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接（光瞳衔接原则）；b.投影计量光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化；c.对轴外光束像差校正；d.各光学元件的口径匹配。★主光线的入射、出射部分各自通过入瞳及出瞳的中心。4、主光线（Chiefray）1L2LQ1Q2Q2Q1QQ2Q1QQABACB出瞳入瞳孔径光阑★定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。★主光线是通过孔径光阑、参与成像的光束的中心光线。二、视场光阑(FieldStops)1、视场光阑•轴上点Q与轴外点P，各自的成像光束受限有何不同？——随着物点离轴距离的增大，主光线会被某光阑（非孔径光阑）边缘所遮断，使得光学系统清晰成像的物面范围（特别是轴外物）受到限制。★视场光阑：限定光学系统成像范围的光阑。——物方视场（能够清晰成像的物面范围）——像方视场★入射视场角：主光线入射部分与光轴的夹角ω0★出射视场角：主光线出射部分与光轴的夹角ω0´以主光线刚好被视场光阑边缘遮断的轴外物点为分界：渐晕？2、渐晕：像平面上，视场的边缘比中间暗。★视场光阑设在物平面上，其在像方的共轭落在像平面上。★视场光阑设在像平面上，其在物方的共轭落在物平面上。解决办法：★视场光阑设在中间像的平面上，其在物、像方的共轭分别落在物、像平面上。例：望远镜显微镜3、入射窗与出射窗★入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）★出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）4、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。1、孔径光阑：入瞳、出瞳（轴上物点的成像张角比较法）**光学系统的物（像）方孔径角：轴上物（像）点-入瞳边缘连线，与光轴的夹角。2、视场光阑：入射窗、出射窗**光学系统的物（像）方视场角：入（出）射窗两边缘对入瞳中心的张角。3、渐晕由轴外物点发出的、充满入瞳的光束中，部分光线被其他光孔阻挡，导致的像平面内的视场逐渐昏暗的现象。——对应的光孔即为渐晕光阑。三、小结第二节照相系统中的光阑一、照相机的三个组成部分镜头L、可变光阑（孔径光阑）A、感光底片/暗盒（视场光阑）B★轴上物点：孔径光阑在不同位置，对成像光束宽度的限制作用相同：都是光束的中间部分参与成像。★轴外物点：孔径光阑在不同位置，参与成像光束的空间位置不同，成像质量不同。——轴外光束决定孔径光阑的位置假设：透镜口径足够大M´N´MNA´A1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。2、渐晕系数:DDK（渐晕光阑）——透镜边框起到“拦光”的作用。二、渐晕光阑（Vignettingstop）三、照相系统的光阑总结3、感光底片边框，即视场光阑；1、根据轴外光束的像质选择孔径光阑位置；2、轴外点成像光束宽度取决于孔径光阑、渐晕光阑均有关；4、孔径光阑一般为圆形，视场光阑为圆形或者矩形。孔径光阑在物镜中的位置第三节望远镜系统中成像光束的选择一、双目望远镜的组成1、构成转像物镜、目镜的共同焦面上2、光学参数6o2830★视觉放大率：★视场角：'108mmf物18mmf目★物镜焦距：★目镜焦距：'5mmD★出瞳直径：11mmzl★出瞳距离：望远镜系统简化图DDf物f目与人眼联用,满足光瞳衔接原则★目视光学系统的视角放大率：远处物体经系统所成的像对眼睛张角的正切，与该物体直接对眼睛张角的正切之比。tantan*概念区别：角放大率12tantanff复习：第二章3、分划板——视场光阑分划板位于物、目两镜的共同焦面上：入射窗、出射窗均在无穷远处，分别与物、像面重合。tantanff物目ffDDff物物目目DD30mmDD望远镜系统简化图DDf物f目出瞳入瞳1）物镜的左侧10mm；2）物镜上；3）物镜右侧10mm。2、孔径光阑的位置：二、望远镜系统中的光束限制1、光瞳衔接原则：——前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合。★追迹主光线的投射高度1）光阑在物镜的左侧10mm：oooootg(4.25)10mmtg(4.25)0.75mmtg(4.25)8mm0.75tgtg(4.25)tg(4.25)108tg[()]tg9.25mmtg20.zzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhdUhffUhhtgUtgUUfflhtgU物分物物物物目目物物物物物目目目目物目目目目；；；；5mm.tantankkkkhUUf111tankkkkhhdU正切计算法ooooootg(4.25)0tg(4.25)0tg(4.25)8mmtgtg(4.25)tg(4.25)tg0[()]tg(4.25)9.36mmtg21mmzzzzzzzzzzhlhyfhUfhhdUffhhtgUtgUUfflhtgU物分物物物物目目物物物目目目目物目目目目；；；；2）光阑在物镜上：tantankkkkhUUf111tankkkkhhdU正切计算法3）光阑在物镜右侧10mm：ooztg(4.25)11tg(4.25)0.82mmzhl物8mmzh分9.51mmzh目21.3mmzlz11111mm10108zll'111zllf物tantankkkkhUUf111tankkkkhhdU正切计算法三、望远镜系统光束限制的总结1、两光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则；2、目视光学系统的出瞳一般在外，且不小于6mm；4、分划板就是视场光阑。3、孔径光阑大致在物镜左右；4、光阑位置对轴外光束位置的选择(1)(1)(2)(3)(3)(2)第四节显微镜系统中的光束限制和分析一、简单显微镜系统中的光束限制1、显微镜系统的构成二、远心光路1、孔径光阑在物镜上(a)测距原理：(b)调焦不准：2)由于调焦不精确，引起像平面和标尺平面不重合，从而导致测量误差。1)入瞳与物镜边框重合；2、孔径光阑在物镜的像方焦平面上1)入瞳位于物方无穷远。2)A和A1、B和B1的主光线分别重合，且轴外点的主光线平行于主轴。3)主光线是物点成像光束的中心轴，则物点A1B1在刻尺平面构成的两个弥散斑的中心间隔始终不变。——物方远心光路(a)测距原理：(b)调焦不准：三、场镜的应用缺点：出射主光线的投射太高，要求物镜后面系统的口径必须非常大。-1×透镜转像系统：加长光路。1、长光路显微镜系统2、降低主光线，减小后续光路口径的办法-1×转像系统★场镜：与像平面重合、或者很靠近像平面的透镜。★效果：主光线经场镜后通过-1×转像透镜中心，从而对后面系统的口径要求最小。场镜起到使前后系统的光瞳衔接的作用。★实际设计：在-1×转像透镜前、物镜的实像面处加场镜。四、显微镜系统光束选择的总结1、一般情况，孔径光阑在显微物镜上；4、长光路显微镜系统：利用场镜达到前后系统的光瞳衔接，减小光学零件尺寸。2、一次实像面处安放视场光阑；3、测长显微镜，孔径光阑在显微物镜焦平面上——物方远心光路第五节光学系统的景深同一位置不同景深的效果一、光学系统的空间像1、平面上的空间像：空间点成像于一个像平面上。对准平面景像平面共轭以入瞳中心为投影中心，以各空间点的主光线为投影方向，向对准平面投影，对应投影点在景象平面上的共轭点即为空间点的平面像。★平面上的空间像的获得：★对准平面外的空间点，在景象平面产生一个弥散斑。弥散斑的直径与入瞳直径、与景象平面的距离有关。或：在像空间以出瞳中心为投影中心，仍以各空间点的主光线为投影方向，各空间像点向景象平面投影，可得空间点的平面像。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pp1p1p2p2p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。远景平面近景平面12入瞳中心：物空间参数的起算原点出瞳中心：像空间参数的起算原点★对准平面的弥