第五章 光学系统中的光阑
二、其他透镜框产生的渐晕
当光学系统中透镜较多，且孔径都不大时，虽然视场光阑不起 拦光作用，但其它透镜框仍可能拦光而造成渐晕。 *****是否所有光学系统都要无渐晕？
当孔径和视场都较大时，无渐晕既无必要也不可能。因为远离 孔阑的透镜直径不能做得太大，且适当拦掉偏离理想成像状态较远的 即像差较大的轴外光束有利于改善像质。
3）入瞳无限小时，视场范围由入窗边缘和入瞳中心连线决定；当物体 在无限远时，视场必须设置在像平面（后焦面）上。
4）若视阑为长方形或正方形，其线视场按对角线计算。
5）入射窗、出射窗、视阑之间的相互共轭关系。
§ 5－4 渐晕光阑
轴外光束被拦截的现象称为“渐晕”，产生渐晕的光阑称为 “渐晕光阑”。渐晕光阑多是透镜框。
60
D3 '
D3
l3 ' l3
10 *
60 20
30
两正薄透镜组L1和L2的焦距分别为100mm和50mm，通光口 径分别为60mm和30mm，两透镜之间的间隔为50mm，在透 镜L2之前30mm处放置直径为40mm的光阑，问 1）当物体在无穷远处时，孔径光阑为哪个？
2）当物体在L1前方300mm处时，孔径光阑为哪个？
L1
B’
L2
A u
Q P’
A’ P
B
1）首先用寻找入瞳、孔阑的方法寻找到入瞳、孔阑。
3.确定视场光阑的方法：
L2’ 入射窗
孔径光阑
入射光瞳
L1
B’
L2
A
P’
Qω
P
A’
（视
B
出场
射光
C
窗阑 ）
2）将所有除孔阑外的光孔经其前方光组成像到物空间，求出每个光孔 像的位置和大小。
3）各光孔像中，对入瞳中心张角最小者，像本身为入射窗，像对应的 实际光孔即为视阑。视阑经过后方光组成在像空间的像即为出射窗。
B’ A
A’ B
渐晕 光阑
位置：位置可选择，以改善成 像质量，与视场光阑二者必有 其一。
● 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）
B’
A A’
B
孔径光阑
消杂光 渐晕 光阑 光阑
视场光阑
位置：位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有
物点在有限远时，各光孔像中，对轴上物点张角最小者，限制了轴 上点光束的孔径角，即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。
物点在无限远时，各光孔像中，直径最小者即为入瞳。入瞳对应的 实际光孔即为孔径光阑。
3.确定孔径光阑的方法：
原则：将光学系统中所有的光学零件的通光孔（镜框）分别通 过其前面的光学零件成像到整个系统的物空间去，入射光瞳必然是 其中对物面中心张角最小的一个。 1）将所有光学元件的通光孔径经前方光组成像到物空间，并求出各个 光孔在物空间像的大小和位置。 a）规定光传播方向从右向左，以光孔为物，与物点发出的光线反向。 b）所有孔或框为实物。 c）利用解析法求解像的位置和大小。
2）物点在有限远时，各光孔像中，对轴上物点张角最小者，限制了轴 上点光束的孔径角，即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。
3）物点在无限远时，各光孔像中，直径最小者即为入瞳。入瞳对应的 实际光孔即为孔径光阑。
例：有两个薄透镜L1和L2 ，焦距分别为90mm和30mm，孔 径分别为60mm和40mm，相隔50mm，在两透镜之间， 离L2为20mm处放置一直径为10mm的圆光阑，试对L1前 120mm处的轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳的位置和大小。
渐晕光阑与视场光阑二者必有其一
● 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）
● 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）
B’
A A’
B
孔径光阑
消杂光 渐晕 光阑 光阑
视场光阑
视场光阑通过前面光组在光学系统的物空间所成的像称为入射窗。 视场光阑通过后面光组在光学系统的像空间所成的像称为出射窗。
1.作用：限制物、像面上的成像范围。
2.视场表示方法：
长度度量：
物方线视场2y 像方线视场2y′
角度度量：
物方视场角2ω 像方线视场2ω′
3.确定视场光阑的方法：
L2‘
孔径光阑
入射光瞳
2.以入瞳中心为透视中心，将空间物点沿主光线方向向对准平面上 投影，投影点在景象面上的共轭点即为空间点的平面像。
3.对准面和景象面上的点不算真正意义上的几何点而为斑点。
AB—对准平面
B
B1
B01
a
b
A
B02
B03
B3
B2
B4
B04
A’B’—景像平面
入瞳 出瞳
P P’
B4”
B4’
B2”
B3”
B3’ B2’
● 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）
● 孔径光阑：限制轴上点成像光束的孔径角，决定像面的照度。（有效光阑）
B’
A
A’
B 孔径光阑ຫໍສະໝຸດ A(∞)BC位置：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。
l3
l3' f ' 30 *9 f 'l3 ' 9 3
45
D3
D3 '
l3 l3 '
15
tan u2
9/2 12 9
3 / 14
tan u2
15/ 2 120 45
1/
22
出瞳
L3
l3 20
l3 '
l3 f2 ' l3 f2 '
20 *30 20 30
4）对于理想光学系统，轴上和 轴外物点的主光线都过入瞳、孔 阑、出瞳中心。 主光线：通过入射光瞳中心的光 线称为主光线。 主光线是物面上发出的充满光学 系统入射光瞳的成像光束的轴线。
5）在保证轴上点物方孔径角不变的情况 下，合理的选取孔径光阑的位置，可提 高成像质量，减小整个系统的横向尺寸。
6）入瞳、孔阑、出瞳之间的相互共轭关系。
位置：位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有
§ 5－5 光学系统的景深
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。
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。
一、光学系统的空间像
1.对准面为景象面在物空间的共轭面。
L1
L3
L2
L1 L3’ L3
L2
L2’
孔栏到入瞳 L1
l1' 0
出瞳
入瞳
D1' D1 60
tan
u1
60 / 2 120
1/
4
L2
l2 ' 50
l2
l2 ' f ' 50 *90 450 f 'l2 ' 90 50 4
D2
D2 '
l2 l2 '
90
L3 l3 ' 30
4.说明：
1）物体位置改变，原孔阑可能失去控制轴上点孔径角的作用，要重复 上述三个步骤确定孔阑。 2）一般来说，入瞳在物空间，孔阑在系统中，出瞳在像空间；
但有时 光学系统第一个光孔为孔阑，入瞳与孔阑重合；
光学系统最后一个光孔为孔阑，出瞳与孔阑重合；
3）入瞳为孔阑经过前面光组在物空间的像，决定了系统轴上物点的物方孔径角。 出瞳为孔阑经过后面光组在像空间的像，决定了系统轴上像点的像方孔径角。
A’
a’
B1”
B1’
b’
B’
如果入瞳位置对于物 方空间点（即景物） 位置发生变化，则景 象也随之变化
投影中心作前后移动 时，投影像的变化和 景物是不成比例的， 也称为透视失真。
对
准 平
S1
面
A S2
A
入出 射射 光光 瞳瞳
P
P’ P
景 像 平 面
A’
A’
景象畸变
二、景深性质及计算
入射窗
出射光瞳 孔径光阑
入射光瞳
L1
B’
L2
A
ω’
A’
ω
P’
Q
P
（视
B
出场
射光
C
窗阑 ）
物方视场角2ω
通过入射光瞳中心的光线称为主光线,
像方线视场2ω′
主光线同时通过入瞳、孔阑、出瞳中心
说明
1）孔阑位置变化，入瞳、出瞳位置也变化，原视阑可能失去限制物象 方视场范围的作用，要重新确定视阑。
2）入窗限制物方物面上的成像范围，视场光阑是实际光学系统中限制 物面成像范围的实际光孔，出窗限制像方像面范围。
3）轴外点从某一视场范围开始，通过光学系统的成像光束要比轴 上光束少，并逐渐递减，直至光照度为零。
4.消除渐晕的条件：（必要条件）
B1 B3
2
q
q
p
由上式可知，欲使渐晕区B1B3为
零，需使p=q，即入射窗和物平面重
合，出射窗和象平面重合。
***入瞳为无限小时。
在有的光学系统中，不存在实像平面，视场光阑无法与像 平面重合，这种系统的视场边缘存在一个由亮到暗的过渡区域， 没有清晰的视场边界。
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光学系统中成像光束的选择----光阑(应用光学第六,七次课)
x f f物
D Γ D 1 D Γ nu D 2 f 物 f目 2 f 500 2 250
数值孔径
Γ NA nu D 500
增大数值孔径可以提高显微镜的视放大率。 增大物方孔径角 增大数值孔径的方法 增大物方介质的折射率 (浸液物镜)
光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳
光学系统中总有一个光孔是限制光束的大小的。 看下图： 出射光瞳 孔径光阑
入射光瞳
A
-U
U
A
说明
(1) 孔径光阑通过其前面的透镜成像到物空间去， 入射光瞳(入瞳) 入瞳实际上限制着光学系统的物方孔径角 U (2) 孔径光阑通过其后面的透镜成像到像空间去， 出射光瞳(出瞳) 出瞳实际上限制着光学系统的像方孔径角 U (3) 入瞳位于物空间的；出瞳位于像空间的。 (4) 入射光瞳和出射光瞳对于整个光学系统是共轭的，即：
F物
非成像的光，来自反射面反射的光，仪器内壁反射的光等。
(2) 其危害：使像面产生明亮的背景，降低像的衬度 (3) 该光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制那些从非 成像物体射来的光，例如：各反射面反射的光，仪器内 壁反射的光等。
物镜
消杂光光阑 分划板
(4) 当然也只是一些重要的光学系统，专门设置消杂光光阑 的，且可以有几个的。例如：天文望远镜，长焦距平行 光管等。 (5) 一般的系统仅仅使用其镜管内壁加工成内螺纹，并涂以 黑色无光漆或者煮黑来达到消杂光的目的。
A 视场光阑
L2
L1
B
(9) 入射光瞳为有限大时，此时入射窗并不能完全决定光
学系统的成像范围
当入射光瞳无限小时
入射窗
光学系统中的光阑
照相机的光阑为孔径光阑，照相底片为视场光阑。
5.1.3、 渐晕
由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像平面 边缘比中心暗的现象称为“渐晕”。
线渐晕系数
KD
D D
孔径光阑的位置不同，渐晕不同
面渐晕系数难以处理。
给渐晕的原因： 1. 为了减小元件的口径 2. 为了去处某些像差较大的光线
在某些望远镜中，渐晕系数可以达到0.5
30 F’物
对于轴向光束，物镜口径最大，目镜口径较小 为满足光学特性的要求，各光学元件的通光口径至少 应保证轴向光束通过。
3、轴外光束传播情况
1）孔径光阑确定：轴向光束口径最大的元件-----物镜
a F’物
a
2）、孔径光阑成像位置
a
b a
入瞳
F’物
出瞳
双目望远镜特点：物镜为孔径光阑，物镜垂直放置，可视 为薄透镜，位置确定，孔径光阑在像空间的像（即出瞳） 也是确定的。
S
光学元件的边框也起光阑的作用。
分类：
孔径光阑
视场光阑
5.1.1 孔径光阑
一、孔径光阑的定义与作用 定义：
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑称为孔径光阑。
作用： 决定了轴上点发出平面光束的孔径角，有时也称为有效光阑。
其实光阑决定了进入光学系统的光能大小。
光阑可在外面也可在里面
二、光瞳
光瞳就是孔径光阑所成的像。分为入瞳和出瞳。 孔径光阑在透镜后，经前面光学系统所成的像，称为入瞳。 孔径光阑在透镜前，经后面光学系统所成的像，称为出瞳。
解决的办法：使主光线不变
孔径光阑
y1´=y´
远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处， 入射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平 面的交点位置也不变
5.1.3、 渐晕
由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像平面 边缘比中心暗的现象称为“渐晕”。
线渐晕系数
KD
D D
孔径光阑的位置不同，渐晕不同
面渐晕系数难以处理。
给渐晕的原因： 1. 为了减小元件的口径 2. 为了去处某些像差较大的光线
在某些望远镜中，渐晕系数可以达到0.5
30 F’物
对于轴向光束，物镜口径最大，目镜口径较小 为满足光学特性的要求，各光学元件的通光口径至少 应保证轴向光束通过。
3、轴外光束传播情况
1）孔径光阑确定：轴向光束口径最大的元件-----物镜
a F’物
a
2）、孔径光阑成像位置
a
b a
入瞳
F’物
出瞳
双目望远镜特点：物镜为孔径光阑，物镜垂直放置，可视 为薄透镜，位置确定，孔径光阑在像空间的像（即出瞳） 也是确定的。
S
光学元件的边框也起光阑的作用。
分类：
孔径光阑
视场光阑
5.1.1 孔径光阑
一、孔径光阑的定义与作用 定义：
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑称为孔径光阑。
作用： 决定了轴上点发出平面光束的孔径角，有时也称为有效光阑。
其实光阑决定了进入光学系统的光能大小。
光阑可在外面也可在里面
二、光瞳
光瞳就是孔径光阑所成的像。分为入瞳和出瞳。 孔径光阑在透镜后，经前面光学系统所成的像，称为入瞳。 孔径光阑在透镜前，经后面光学系统所成的像，称为出瞳。
解决的办法：使主光线不变
孔径光阑
y1´=y´
远心光路：将孔径光阑放置在像方焦平面处， 入射主光线与光轴平行，出射主光线永远不变，与像平 面的交点位置也不变
+第5章 光学系统中的光阑
. 应用 . 光学
第 五 章 光学系统中的光阑
5.4
二、物空间轴外光束渐晕分析
. 应用 . 光学
第 五 章 光学系统中的光阑
5.4
分成三个区域： 第一个区域是以AB1为半径的圆形区。在该区域内，每一 点都以充满入射光瞳的全部光束成像。 B1点的确定：由入射光瞳的下边缘P2与入射窗的下边缘M2 的连线与物平面相交。 第二个区域是以B1B2绕光轴旋转一周所形成的环形区域。 在此区域内，已不能使所有点都以充满入射光瞳的光束通 过光学系统成像。在子午面内，由点B1和B2，从100%到 50%渐变，产生渐晕。 B2的确定：连接入瞳中心P与入射窗下边缘M2与物平面相 交。 第三个区域以B2B3绕光轴旋转一周所形成的环形区域。在 子午面内，有B2到B3产生50%到0渐变， B3的确定：连接入射光瞳上边缘P1和入射窗下边缘M2与物 平面相交。
z 1 主面与光瞳面重合，有
' z '
' k
xz x f f , p l , p l
'
'
此时上式变成一般形式的高斯公式
2）光瞳处的拉赫不变量为
n1hzuz n h u J z
' ' ' k z k
' z 和 z为第一近轴光线与入射和出射光瞳平面相交的高 度， z 和 ' 分别为第二近轴光线在物像空间的夹角。 k
同理，光瞳处的放大 率可写为
n1 '2 再利用牛顿公式 x x ff ' f nk
' 1 k '
可得
z
1 n1 1 1 ' ' ' p p nk z f
第五章光阑和光束限制(2)讲解
我们把光学系统中所有光孔(包括透镜框)被 其前面的光组成像，以物面中心为原点对被成的 光孔像张角，即从物面中心点做出光孔像边缘的 孔径角，其中必有一个光孔像对物面中心的张角 最小，即孔径角U最小，这个像称为入射光瞳。
与入射光瞳共轭的光孔就是孔径光阑。
入射光瞳的大小完全决定了进入系统参与成 像的最大的孔径角，是物平面中心点进入系统光 束的公共入口。
复习
在光学系统中，一些固定透镜和其他光学零 件的金属框架和专门设置的带孔的金属薄片是用 来限制光束的屏障，称为光阑。
孔径光阑：限制轴上物点进入系统孔径角u的光阑。
视场光阑：限制视场的光阑，决定物平面或物空 间有多大的范围可以被光学系统成像。
消杂散光光阑：只对非成像的杂散光起限制作用 的光阑，称为消杂散光光阑。
孔径光阑被其后面光组所成的像必是所有光
孔被其后面光组所成的像中对像面中心 A点张角 U 最小的一个。
孔径光阑被后面光组成的像称为出射光瞳。
P1
A
P1
U1 P2
A U1
P2
O1
O2
出瞳是光学系统的公共出口，能进入入瞳的 光束必能通过出瞳到达像面。
自物面中心A到入瞳边缘的光线与光轴的夹角 U称为物方孔径角，它是轴上物点能进入光学系统 的光束中的最大的物方孔径角。
2.一焦距为1000mm的正透镜，在其焦点处有一发光 点，透镜前置一平面反射镜把光束反射回透镜且在 焦平面上成一点像，它和发光点的距离为1mm，问 平面镜的倾角是多少？
3.用翻拍物镜拍摄文件，文件上压一15mm厚的玻璃 平行平板，其折射率为1.5，设物镜焦距 f 450mm，
拍摄倍率 1 ，试求物镜后主面到平行板第一面
作业
1.有两个薄透镜孔径AB=CD=50mm ，AB透镜 f1 100 mm ，
第五章 光阑
注意：此处入（出）射窗的定义与教材不同， 为什么呢？先思考，讲完“渐晕”后解释。
5.4 渐晕光阑（重点、难点）
1、定义：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径 所拦截的现像，称为“渐晕”；用以产生渐晕效果的光阑， 称为“渐晕光阑”。
有两个渐 晕光阑！
实际上，渐晕现像是普 遍存在的，我们用不着 绝对的消除渐晕。一般 系统允许有50％的渐晕 （拦一半），甚至30％ 的渐晕。
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳（重点）
前面已经说过，用以限制进入系统的成像光束口径的光阑，称为孔径 光阑，与之相关的两个重要概念就是出瞳和入瞳。 一、定义： 1、入瞳：孔径光阑经前面的透镜组（光学系统）在物空间所成的像。 入瞳决定了物方最大孔径角的大小，是所有入射光的入口。 2、出瞳：孔径光阑经后面的透镜组（光学系统）在像空间所成的像。 出瞳决定了像方孔径角的大小，且是所以出射光的出口。
目前大部分应用光学教材都直接称视场光阑的像是入（出）射 窗，并没有详解其中理由，以上为本人概括，参考资料为《几 何光学和光学设计》王子余著P85~P86，浙江大学出版社。
5.4 渐晕光阑（重点、难点）
暗角 以及LOMO的暗角艺术效果
5.4 渐晕光阑（重点、难点）
2、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。
例题5-1： 计算判断系统的孔径光阑，并计算入瞳、出瞳 的位置和大小。
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳（重点）
二、主光线、相对孔径 、光瞳数以及数值孔径
1、主光线：通过入瞳中心的光线叫主光线。 主光线不仅通过入瞳中心也通过孔径光阑中心及出瞳中心。 主光线是物面上发出的充满光学系统入瞳的成像光束的轴线。
5.4 渐晕光阑（重点、难点）
1、定义：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径 所拦截的现像，称为“渐晕”；用以产生渐晕效果的光阑， 称为“渐晕光阑”。
有两个渐 晕光阑！
实际上，渐晕现像是普 遍存在的，我们用不着 绝对的消除渐晕。一般 系统允许有50％的渐晕 （拦一半），甚至30％ 的渐晕。
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳（重点）
前面已经说过，用以限制进入系统的成像光束口径的光阑，称为孔径 光阑，与之相关的两个重要概念就是出瞳和入瞳。 一、定义： 1、入瞳：孔径光阑经前面的透镜组（光学系统）在物空间所成的像。 入瞳决定了物方最大孔径角的大小，是所有入射光的入口。 2、出瞳：孔径光阑经后面的透镜组（光学系统）在像空间所成的像。 出瞳决定了像方孔径角的大小，且是所以出射光的出口。
目前大部分应用光学教材都直接称视场光阑的像是入（出）射 窗，并没有详解其中理由，以上为本人概括，参考资料为《几 何光学和光学设计》王子余著P85~P86，浙江大学出版社。
5.4 渐晕光阑（重点、难点）
暗角 以及LOMO的暗角艺术效果
5.4 渐晕光阑（重点、难点）
2、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。
例题5-1： 计算判断系统的孔径光阑，并计算入瞳、出瞳 的位置和大小。
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳（重点）
二、主光线、相对孔径 、光瞳数以及数值孔径
1、主光线：通过入瞳中心的光线叫主光线。 主光线不仅通过入瞳中心也通过孔径光阑中心及出瞳中心。 主光线是物面上发出的充满光学系统入瞳的成像光束的轴线。
第五章光学系统中的光阑解析
金属表面及镜座内壁的反射和散射所产生）
B’ A B 孔径光阑 渐晕 光阑 消杂光 光阑 视场光阑 A’
位置：位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有
§ 5－2 孔径光阑
1. 作用：在光学系统中实际限制轴上物点成像光束的孔径角U。 2.孔径光阑的确定
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’。 物点在有限远时，各光孔像中，对轴上物点张角最小者，限制了轴 上点光束的孔径角，即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。 物点在无限远时，各光孔像中，直径最小者即为入瞳。入瞳对应的 实际光孔即为孔径光阑。
4.说明：
1）物体位置改变，原孔阑可能失去控制轴上点孔径角的作用，要重复 上述三个步骤确定孔阑。 2）一般来说，入瞳在物空间，孔阑在系统中，出瞳在像空间； 但有时 光学系统第一个光孔为孔阑，入瞳与孔阑重合；
光学系统最后一个光孔为孔阑，出瞳与孔阑重合；
3）入瞳为孔阑经过前面光组在物空间的像，决定了系统轴上物点的物方孔径角。 出瞳为孔阑经过后面光组在像空间的像，决定了系统轴上像点的像方孔径角。 4）对于理想光学系统，轴上和 轴外物点的主光线都过入瞳、孔 阑、出瞳中心。 主光线：通过入射光瞳中心的光 线称为主光线。 主光线是物面上发出的充满光学 系统入射光瞳的成像光束的轴线。
§ 5－1 光阑及其作用
在设计光学系统时，应按其用途、要求，在成象范围内的各点以一 定立体角的光束通过光学系统成象。这就是一个如何合理地限制光束的 问题。 定义：限制光束通过光学系统的光孔。 组成：透镜等光学零件边框或专门设置的带孔金属框。
B’ A B 孔径光阑 渐晕 光阑 消杂光 光阑 视场光阑 A’
位置：位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有
§ 5－2 孔径光阑
1. 作用：在光学系统中实际限制轴上物点成像光束的孔径角U。 2.孔径光阑的确定
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’。 物点在有限远时，各光孔像中，对轴上物点张角最小者，限制了轴 上点光束的孔径角，即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。 物点在无限远时，各光孔像中，直径最小者即为入瞳。入瞳对应的 实际光孔即为孔径光阑。
4.说明：
1）物体位置改变，原孔阑可能失去控制轴上点孔径角的作用，要重复 上述三个步骤确定孔阑。 2）一般来说，入瞳在物空间，孔阑在系统中，出瞳在像空间； 但有时 光学系统第一个光孔为孔阑，入瞳与孔阑重合；
光学系统最后一个光孔为孔阑，出瞳与孔阑重合；
3）入瞳为孔阑经过前面光组在物空间的像，决定了系统轴上物点的物方孔径角。 出瞳为孔阑经过后面光组在像空间的像，决定了系统轴上像点的像方孔径角。 4）对于理想光学系统，轴上和 轴外物点的主光线都过入瞳、孔 阑、出瞳中心。 主光线：通过入射光瞳中心的光 线称为主光线。 主光线是物面上发出的充满光学 系统入射光瞳的成像光束的轴线。
§ 5－1 光阑及其作用
在设计光学系统时，应按其用途、要求，在成象范围内的各点以一 定立体角的光束通过光学系统成象。这就是一个如何合理地限制光束的 问题。 定义：限制光束通过光学系统的光孔。 组成：透镜等光学零件边框或专门设置的带孔金属框。
第五章 光学系统中的光阑
例：有一光学系统，透镜O1、O2的口径D1=D2=50mm，焦 距f1′= f2′=150mm，两透镜间隔为300mm，并在中间置 一光孔O3，口径D3=20mm，透镜O2右侧150mm处再置一光 孔O4，口径D4=40mm，平面物体处于透镜O1左侧150mm处。 求该系统的孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、 出窗的位置和大小。
3）入瞳为孔阑经过前面光组在物空间的像，决定了系统轴上物点的物 方孔径角。出瞳为孔阑经过后面光组在像空间的像，决定了系统轴上 像点的像方孔径角。
4）对于理想光学系统，轴上和轴外物点的主光线都过入瞳、孔阑、出 瞳中心。 主光线：通过入射光瞳中心的光线称为主光线。 第二近轴光线：由物方视场边缘发出通过入射光瞳中心的近轴光线 。
§ 5－3 视场光阑
视场光阑通过前面光组在光学系统的物空间所成的像称为入射窗。 视场光阑通过后面光组在光学系统的像空间所成的像称为出射窗。 1.作用：限制物、像面上的成像范围。 2.视场表示方法： 物方线视场2y 长度度量： 像方线视场2y′
角度度量：
物方视场角2ω
像方线视场2ω ′
3.确定视场光阑的方法：
4. 说明：
1）场镜的光焦度可从物镜的出瞳与目镜的入瞳互为物象关系 的条件中求出。 2）场镜按用途不同，可分为正场镜和负场镜。 正场镜：使整个光束靠近光轴，从而减小了后面的透镜尺寸，
但出射光瞳靠近了目镜。
负场镜：使整个光束离开光轴，从而增大了后面的透镜尺寸， 但出射光瞳距离增大。
例：开普勒望远镜， f物′=100mm， f目′=20mm，物镜口径 D=25mm，由于目镜口径限制，轴外边缘视场渐晕系数 KD′=0.5，视场角2ω =10° ，问在不增加目镜口径情况下， 场镜焦距多大时，能恰好消除渐晕？
光学系统的光阑
• 视场光阑若不能与物面或像面重合，物 方视场的大小则需要根据指定的标准进 行计算或判定，但存在一个视场大小的 最大极限值。
整理ppt
视场光阑设在像面
孔径光阑
视场光阑
y'
F
物在有限远
y
y'
物在无限远
整理ppt
tg y ' f'
视场光阑设在物面
视场光阑 B y A
孔径光阑
y D视 2
tg y
空间深度 • 近景深：对准平面以近能成清晰像的物
空间深度 • 景深为近景深与远景深之和。
整理ppt
z2 z1
2a z'2
z'1
对准平面 B1
A B2
入射光瞳 出射光瞳 P'1
P1 P P'
景像平面 B"2
A'
P2
P'2
B"1
1
2
p2
p
p 1
p'1 p' p'2
z1 p1 p
D
p1
p1
Dp D z1
题解图
整理ppt
入瞳和出瞳
• 孔径光阑在物方空间的共轭“像”称为入 射光瞳，简称入瞳
• 孔径光阑在像方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 • 入瞳在整个系统的物方对光束进行限制，
出瞳在整个系统的像方对光束进行限制
整理ppt
入瞳和出瞳
C.R. M.R. 物
整理ppt
焦深
一个物平面能够获得清晰像的空间深度称为焦深
入瞳 出瞳
D D'
z'1 z'2
整理ppt
视场光阑设在像面
孔径光阑
视场光阑
y'
F
物在有限远
y
y'
物在无限远
整理ppt
tg y ' f'
视场光阑设在物面
视场光阑 B y A
孔径光阑
y D视 2
tg y
空间深度 • 近景深：对准平面以近能成清晰像的物
空间深度 • 景深为近景深与远景深之和。
整理ppt
z2 z1
2a z'2
z'1
对准平面 B1
A B2
入射光瞳 出射光瞳 P'1
P1 P P'
景像平面 B"2
A'
P2
P'2
B"1
1
2
p2
p
p 1
p'1 p' p'2
z1 p1 p
D
p1
p1
Dp D z1
题解图
整理ppt
入瞳和出瞳
• 孔径光阑在物方空间的共轭“像”称为入 射光瞳，简称入瞳
• 孔径光阑在像方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 • 入瞳在整个系统的物方对光束进行限制，
出瞳在整个系统的像方对光束进行限制
整理ppt
入瞳和出瞳
C.R. M.R. 物
整理ppt
焦深
一个物平面能够获得清晰像的空间深度称为焦深
入瞳 出瞳
D D'
z'1 z'2
光学系统中的光阑
能量效率评价
能量传输效率
光阑应能有效地将光源的能量传输到 所需的光束中，同时避免不必要的散 射和反射。
能量利用率
热效应
光阑在传输大量能量的过程中可能会 产生热效应，影响光学系统的性能和 稳定性。
在保证光束质量的前提下，光阑应尽 可能提高能量的利用率，减少浪费。
成像质量评价
分辨率和对比度
光阑对成像的分辨率和对比度有 直接影响，是评价成像质量的重
03
光阑在光学系统中的应用
望远镜中的光阑
望远镜中的光阑主要用于控制进 入望远镜的光束的大小，以及阻
挡杂散光和防止过度曝光。
光阑可以调节望远镜的视场，使 得观测目标在望远镜的视场中清
晰可见。
光阑还可以减少望远镜的像差， 提高成像质量。
显微镜中的光阑
在显微镜中，光阑用 于控制照明光束的大 小，以适应不同的观 察需求。
光阑的成像改善作用
总结词
光阑可以改善光学系统的成像质量，提 高图像的清晰度和对比度。
VS
详细描述
在复杂的光学系统中，光阑可以起到重要 的成像改善作用。通过合理设计和放置光 阑，可以消除光学系统的像差，减少杂散 光和眩光的影响，提高图像的清晰度和对 比度。此外，光阑还可以用于调整光学系 统的焦距和景深，优化成像效果。
描述
不同类型的光阑具有不同的特性和用途，适用于不同的光学系统。选择合适的光 阑类型和规格对于保证光学系统的性能和稳定性至关重要。
光阑的作用
功能
光阑在光学系统中起着重要的作用，它可以控制光束的形状 、大小和方向，从而影响成像质量、光束质量和系统性能。 具体来说，光阑的作用包括限制光束的孔径、消除杂散光、 提高成像对比度和减小畸变等。
描述
第5章光学系统中的光阑
应. 用 光. 学
5.1 第 五 章
光学系统中的光阑
3、视场光阑：限制成像范围的光阑称为 视场光阑。
4、渐晕光阑：轴外点光束被拦截的现象 称“渐晕”，产生渐晕的光阑称为“渐晕光 阑”。
5、消杂光光阑：用来拦掉光学系统中非 成像或因折射面反射产生的杂光光阑称
“消杂光光阑。”
第5章光学系统中的光阑
应. 用 光. 学
x
' z
f'
xz
n1
n
' k
f
' z
,
x
' z
f ' z
f
'
n
' k
f
n1
f
n1
n
' k
f'
= n1
f'
x
' k
n
' k
x
f'
同理，光瞳处的放大
x1
p
x
z
,
x
' k
p'
x1
p
n1
n
' k
f
' z
,
x
' k
再利用牛顿公式 x1xk' ff
率可写为
可得 第5章光学系统中的光阑
z 1 n1 1 p' p nk' z
由物面中心通过入射光瞳边缘的光线称为第一辅 助光线。同理，使所有的光学零件通光孔通过其
后面的光学零件成像到像空间去，则出射光瞳对 像面中心孔角最小第；5章光学系统中的光阑
应. 用 光. 学
5.2 第 五 章
光学系统中的光阑