浙大应用光学第5章 光学系统中的光束限制
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应用光学第五章
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工程光学
第五章 光学系统的光束限制
31
概述
2
孔径光阑
3
视场光阑
4 渐晕光阑及场镜的应用
35
景深和焦深
第一节 概述
❖在光学系统中，对光束起限制作用的 光学元件称为光阑。
❖根据各种光阑限制光束的目的，它们 大体分为以下几种：
▪ 孔径光阑 ▪ 视场光阑 ▪ 渐晕光阑 ▪ 消杂光光阑
一个器件对光束的限制状况可以在任一个 介质空间进行判断，但是，出于可比性，通 常将所有器件都成像在同一介质空间来对光 束限制的状况作比较。
I
II
I'
A
A'
图5-3
孔径光阑的判断
在共轴光学系统中，各光学元器件按其设 计的组合顺序依次排列，成像光束在经过各 个元器件时，由于每个器件的通光口径大小 和位置不同，对轴上物点允许通过的光束大 小也不同。找出其中允许通过光束最小的元 器件，便是孔径光阑，如图5-4所示 。
第一节 概述
▪消杂光光阑 消杂光光阑用来限制一些非成像光线，这
些光线常常是由于镜头表面、金属表面以及镜 筒内壁反射或散射所产生的杂散光，它们通过 系统后将在像面上产生杂光背景，破坏像的对 比度和清晰度。
尽管有上述多种目的的光束限制，但任何一种 光学系统，都必须具备两种最基本的光束限制， 即对成像光束大小的限制和对成像范围大小的限 制。因此，孔径光阑和视场光阑在光学系统中不 可缺少的。
D1=6
图5-6a
D =2 P
D2=6
孔径光阑的判断
解 求出所有器件在物空间的像。为此将整个系统 翻转180，首先，光孔P经透镜L1成像：
1 l'
1 40
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工程光学
第五章 光学系统的光束限制
31
概述
2
孔径光阑
3
视场光阑
4 渐晕光阑及场镜的应用
35
景深和焦深
第一节 概述
❖在光学系统中，对光束起限制作用的 光学元件称为光阑。
❖根据各种光阑限制光束的目的，它们 大体分为以下几种：
▪ 孔径光阑 ▪ 视场光阑 ▪ 渐晕光阑 ▪ 消杂光光阑
一个器件对光束的限制状况可以在任一个 介质空间进行判断，但是，出于可比性，通 常将所有器件都成像在同一介质空间来对光 束限制的状况作比较。
I
II
I'
A
A'
图5-3
孔径光阑的判断
在共轴光学系统中，各光学元器件按其设 计的组合顺序依次排列，成像光束在经过各 个元器件时，由于每个器件的通光口径大小 和位置不同，对轴上物点允许通过的光束大 小也不同。找出其中允许通过光束最小的元 器件，便是孔径光阑，如图5-4所示 。
第一节 概述
▪消杂光光阑 消杂光光阑用来限制一些非成像光线，这
些光线常常是由于镜头表面、金属表面以及镜 筒内壁反射或散射所产生的杂散光，它们通过 系统后将在像面上产生杂光背景，破坏像的对 比度和清晰度。
尽管有上述多种目的的光束限制，但任何一种 光学系统，都必须具备两种最基本的光束限制， 即对成像光束大小的限制和对成像范围大小的限 制。因此，孔径光阑和视场光阑在光学系统中不 可缺少的。
D1=6
图5-6a
D =2 P
D2=6
孔径光阑的判断
解 求出所有器件在物空间的像。为此将整个系统 翻转180，首先，光孔P经透镜L1成像：
1 l'
1 40
应用光学：第五章 光学系统中的成像光束的选择
第五章 光学系统中的成像光束的选择 Stops in Optical Systems
• 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
• 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。
在F’物上加一个正透镜，物镜所成的像正好位于正透镜的主平 面上，通过它以后所成的像和原来像的大小相等，从而不会影 响系统的成像特性，这样一种和像平面重合，或者和像平面很 靠近的透镜称为场镜。
特性：改变成像光束的位置（压低光线，减小后续光路通光孔 径），不影响系统的光学特性。
二 应用
在连续成像的组合系统中经常采用。 当两个系统组合在一起成像时，为了使前一个系统的出射 光束都能进入后一个系统，而又不使后一个系统的通光口 径过大，这就需要在中间像平面上加入一个场镜。
（1）孔径光阑在物镜左侧10mm；
（2）孔径光阑在物镜处；
（3）孔径光阑在物镜右侧10mm；
最后得出三种情况下各光学元件的通光口径，如下 表所示：
可以看见，物镜的通光口径无论在何种情况下都是 最大的，应选择物镜口径最小的光阑位置。因此在 望远镜中，物镜即为孔径光阑。 分划板为视场光阑。
孔径光阑的位置不同，轴外物点参与成像的光束位 置就不同.
1 1 Z'
2 l
D
l2
1 2
l
傻瓜照相机
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。
• 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
• 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。
在F’物上加一个正透镜，物镜所成的像正好位于正透镜的主平 面上，通过它以后所成的像和原来像的大小相等，从而不会影 响系统的成像特性，这样一种和像平面重合，或者和像平面很 靠近的透镜称为场镜。
特性：改变成像光束的位置（压低光线，减小后续光路通光孔 径），不影响系统的光学特性。
二 应用
在连续成像的组合系统中经常采用。 当两个系统组合在一起成像时，为了使前一个系统的出射 光束都能进入后一个系统，而又不使后一个系统的通光口 径过大，这就需要在中间像平面上加入一个场镜。
（1）孔径光阑在物镜左侧10mm；
（2）孔径光阑在物镜处；
（3）孔径光阑在物镜右侧10mm；
最后得出三种情况下各光学元件的通光口径，如下 表所示：
可以看见，物镜的通光口径无论在何种情况下都是 最大的，应选择物镜口径最小的光阑位置。因此在 望远镜中，物镜即为孔径光阑。 分划板为视场光阑。
孔径光阑的位置不同，轴外物点参与成像的光束位 置就不同.
1 1 Z'
2 l
D
l2
1 2
l
傻瓜照相机
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。
第五章 光学系统中的光束限制
视场光阑对成像范围的影响
视场光阑对主光线的限制
视场光阑对轴外点光束的限制
其他光阑对轴外点成像光束的阻拦
E
照相机系统
望远镜系统
望远系统简图
显微系统
光学系统的景深
在景象平面上获得清晰像的空间深度：成像空间的景深 成清晰像的最远平面为远景平面，距对准平面距离为远景深度 成清晰像的最近平面为近景平面，距对准平面距离为近景深度
孔径光阑例
光阑的像
入瞳：孔径光阑被其前面光组在系统物空间 所成的像称为系统的入射光瞳 出瞳：孔径光阑被其后面光组在系统像空间 所成的像称为系统的出射光瞳 物方孔径角：物面中心至入瞳边缘引线夹角 像方孔径角：像面中心至出瞳边缘引线夹角
视场光阑、入窗、出窗
视场光阑：限制物体成像范围的光阑 判断：
前景深与后景深
正确透视距离观察：入瞳直径越小，景深越大；拍摄距离越大，景深越大 明视距离观察：景深还与焦距有关，焦距越小，景深越大
相同光圈，不同物距
不 同 焦 距
相同物距，不同光圈
远心光路
物方远心光路
光学量仪测量原理
1. 物镜与像面距离按放大倍数确定，固定不变 2. 带有刻度的分划板在物镜像面上，格值考虑了放大倍 数 3. 通过调整整个系统相对物的距离，使被测物成像于分 划板平面上 4. 按刻度读出物的长度
求每个光阑被前面光组所成像 由入瞳中心向各光阑在物空间的像的边缘引线 对入瞳中心张角最小的光阑像对应的Fra bibliotek阑即为 视场光阑
视场光阑例
入窗：视场光阑被其前面光组在系统物空间 所成的像称为系统的入射窗 出窗：视场光阑被其后面光组在系统像空间 所成的像称为系统的出射窗 物方视场角：入窗边缘对入瞳中心所张的角 像方视场角：出窗边缘对出瞳中心所张的角
第五章 光学系统中光束的限制
P1 P P2 a)
P1 P P2 b)
P1 P P2 c)
5.4 光学系统的景深
在焦点前后各有一个容许弥散圆，这 两个弥散圆在物空间对应的物平面之间的 距离就叫景深。
P2 P
P1
B1
Z1
Z2
1 P1 P
P Z' Df ' PZ '
2
1
2
B2 P P1
P2
P'1 P'
P'2
1 1
B A
主光线 -U
P''
P1 P P2
O1
O2
P'
U'
Q1
Q2
P''2
孔径光阑
P'2
出射光瞳
入射光瞳
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。
P''1 P'1
B
-
U 主光线
P'' O1
P1 P P2 O2 P'
A
U'
Q1 Q2
P''2
孔径光阑
1 P1 P
P Z' Df ' PZ '
2
2 P P2
P Z' Df ' PZ '
2
1 2 D
2 Df ' P Z '
2
2
f ' P Z '
2
2
2
当景象平面上的弥散斑Z’规定之后， 景深与系统的入瞳直径、焦距和对准平 面的距离有关：入瞳直径越大，景深越 小；拍摄距离越大，景深越大。
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
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
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
光学系统中的光束限制
1、望远系统的特点：是平行光射入，平行光射出，其光学间隔 ∆ = 0 。
2、光瞳衔接原则：前一个系统的出瞳与后一系统的入瞳相重合，否则就会出现 光束拦截现像。 3、光束限制： 在望远系统中，一般情况下，物镜镜框是它的孔径光阑，也是系统的入瞳。 它经目镜所成的像就是系统的出瞳。一般与人眼瞳相重合。而出瞳的位置与目镜 最后一面之间的距离就是出瞳距。一般出瞳距 P' ≥ 8mm ~ 10mm ，若加防毒面具 则出瞳距至少要为几十毫米。 分划板是其视场光阑。它放置于实像平面上，主要用于限制视场的大小。
小孔
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。 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。 2、视场光阑：用以限制成像范围的光阑。 视场光阑的形状多为正方形、长方形。例如：显微系统中的分划板就是视场 光阑，照相系统中的底片也是视场光阑。
如果把刻尺当作物， 则系统带着分划一起移动调焦， 由于调焦不准造成视差， 同样影响测距精度，为此也用孔径光阑来控制主光线。这样物面上一点 A 发出
A B
' B
孔径光阑
' A
图 4—9 像方远心光路
的过焦点的光，经系统之后将变为平行光，由于孔阑放于 F 处，所以这条光线就 是主光线，这样不论像面与分划面是否重合，我们读的都是主光线的位置，从而 消除（减少）了测距误差。
D入 ） ：系统的入瞳直径与系统的焦距之比； f' f' D入
3、光瞳数（F 数） ：相对孔径的倒数即， K =
4、数值孔径 NA： NA＝n1 sin U1 ，物方孔径角的正弦与物方折射率之积。
§4－3
第五章1 光学系统中光束的限制解析
距为 f '1 80mm ，通光口径D1 40mm ， L2透镜的焦
距为，f '2 30mm 通光口径 D2 40mm ， L2在L1的后
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，
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P是所有主光线的交点。
物方孔径角2U,像方孔径角2U′, 2U最小2U′也必最 小。
孔径光阑的设置原则
（1）对目视仪器，人眼瞳孔起着限制光束的作用。 因此，应确保光学系统的出瞳和人眼瞳孔在位置 上重合，大小也应匹配合适。
（2）入瞳和光学零件重合时，零件口径最小；越远离 光学零件，则零件尺寸越大；
渐晕光阑——限制物空间轴外点发出的、 本来能通过上述两种光孔的成像光束
所有光 学系统 都有
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）
二、光阑的位置
视场光阑 一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有
孔径光阑随系统而异，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。
距为，f '2 30mm 通光口径 D2 40mm ， L2在L1的后
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，
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P是所有主光线的交点。
物方孔径角2U,像方孔径角2U′, 2U最小2U′也必最 小。
孔径光阑的设置原则
（1）对目视仪器，人眼瞳孔起着限制光束的作用。 因此，应确保光学系统的出瞳和人眼瞳孔在位置 上重合，大小也应匹配合适。
（2）入瞳和光学零件重合时，零件口径最小；越远离 光学零件，则零件尺寸越大；
渐晕光阑——限制物空间轴外点发出的、 本来能通过上述两种光孔的成像光束
所有光 学系统 都有
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）
二、光阑的位置
视场光阑 一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有
孔径光阑随系统而异，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。