第5章 光学系统中的光束限制

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二、光学系统的景深
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景深D：入瞳一定时，在景像平面上获得清晰像的空间深度。
远景深度D1：对准平面到能成清晰像的最远平面（远景平面）的距离； 近景深度D2：对准平面到能成清晰像的最近平面（近景平面）的距离；
D=D1+D2
z1 l1 l = D p1 z2 l l2 = D l2
l1 =
2Dz' l D = D1 + D2 = D 2 z' 2
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三、光学系统的焦深

焦深：一个平面物体 ———— 一定深度的清晰像空间。
也是由于光束受限所引出的概念。
D' p' l' = = z' D'1 D'2

2l' z' D' = D'1 + D'2 = D'
z’确定时，D’与D’及理想像面的位置l’有关。

视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的，当孔径光阑位 置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替。

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孔径光阑和视场光阑的区别：


孔径光阑和视场光阑是光学系统中起重要作用的 两种光阑，但二者所起作用不同，前者主要限制 成像光束的孔径，即决定像的照度；后者决定视 场，即物体被成像的范围。 孔径光阑是对一定位置的物体而言的，而视场光 阑是对一定位置的孔径光阑而言的，当孔径光阑 位置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光 孔所代替。
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1、渐晕的概念及渐晕系数
入窗和物平面不重合产生的渐晕
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1、渐晕的概念及渐晕系数
1. 轴外光束的渐晕——轴上与轴外物点成像光束大小不同 的现象。 轴外点 < 轴上点 2. 渐晕光阑——物空间发出的、本来能通过孔径光阑、视场 光阑的成像光束，由于该光阑的存在只能部分通过，这 种起拦光作用的光阑称为渐晕光阑。
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l’
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四、远心光路
1、物方远心光路——测量长度的显微镜： 测像大小，求物大小。
物方远心光路
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2、像方远心光路——大地测量仪器
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2、场镜的应用

在物镜一次实像面处 加一透镜，以降低主 光线在其后面系统的 投射高度。

场镜改变成像光束的 位置，对系统特性、 方向无影响。
减小光学零件的口径。
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§5.5
光学系统的景深和焦深
一、光学系统的空间像
平面上的空间像（空间物点成像在一个像平
面上）——望远镜、照相物镜
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空间点的平面像的取得：
z' l D1 = l 1 l = D z' z' l D2 = l l 2 = D + z'
l 2 z' D1 = l1 l = Df' z' l l 2 z' D2 = l l 2 = Df' + z' l 2Dl2 z' f' D= Df' 2 z' l 2
（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。
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（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； （3）远心光路：焦平面上。


在测量物体大小的显微镜中，把孔径光阑置于光学系统 的像方焦平面上，以消除由于物平面位置不准确所引起 的测量误差； 在测量物体距离的大地测量仪器中，常把孔径光阑置于 光学系统的物方焦平面上，以消除由于调焦不准（像平 面和标尺分划刻线面不重合）而造成的测量误差。
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3. 线渐晕系数KD，指轴外物点通过系统的光束直径 Dω与轴上物点通过系统的光束直径D0之比，即KD =Dω/ D0 4. 面渐晕系数KS，指轴外物点通过系统的光束面积 Sω与轴上物点通过系统的光束面积S0之比，即KS =Sω/ S0
在入瞳面上度量：D0、S0分别是入瞳直径D和入瞳面积S
消除渐晕：入窗与物平面重合，出窗与像平面重合
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5. 消杂光光阑——只对那些从视场外射入系 统的光能和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的杂 散光起部分限制作用。限制非成像光束。 杂光背景破坏像的对比度和清晰度。
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各种光阑在光学系统中的作用：
（1）孔径光阑：决定像面的照度； （2）视场光阑：决定系统的视场； （3）渐晕光阑：限制光束中偏离理想位置 的一些光线，用以改善系统的成像质量； （4）消杂光光阑：拦截系统中有害的杂散 光。
第5章 光学系统中的光束限制
• • • • • §5-1 §5-2 §5-3 §5-4 §5-5 孔径光阑、入瞳和出瞳 视场光阑、入窗和出窗 渐晕光阑及场镜的应用 光学系统的景深和焦深 远心光路
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§5.1
1 .孔径光阑
孔径光阑、入瞳和出瞳
限制成像光束立体角的光阑 (限制进入光学系统 成像光束口径的光阑。) 轴上点：近距离物体： U ∞物体：ｈ
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（1）孔径光阑对轴上点光束的限制
孔径光阑
A
A’
3
（2） 孔径光阑对轴外点光束的限制
M1 M2
N1
N2
L
1
2
（a）物点有限远
（b）物点无限远
4
2

入瞳和出瞳
入射光瞳——孔径光阑经其前面的光组在光学系 统物空间所成的像。入射光束的入口。 入瞳

出射光瞳——孔径光阑经其后面的光组在光学系 统像空间所成的像。出射光束的出口。 出瞳
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§5.2
视场光阑、入窗和出窗
视场光阑——限制系统成像范围的光阑。即 限制物平面或物空间能被系统成像的最大 范围的光阑，它决定了光学系统的视场。
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2
入窗和出窗
入射窗——视场光阑经其前面的光组在光学 系统物空间所成的像. 入窗 出射窗——视场光阑经其后面的光组在光学 系统像空间所成的像. 出窗
主光线——由轴外一物点发出并通过入瞳中心的 光线叫主光线。

孔径光阑、入瞳、出瞳三者之间互为共轭关系。
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6
3 孔径光阑、入瞳和出瞳的判定方法
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可见，光学系统的孔径光阑是对一定位置 的物体而言的，如果物体位置发生变化， 原来限制光束的孔径光阑将会失去限光作 用，光束会被其它光孔所限制。
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4 孔径光阑的设置原则
视场光阑、入窗、出窗三者之间也互为共轭 关系。
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视场：2、2’（∞物体）； 2y、2y’（有限距离物体）。 视场光阑为矩形时，2y’应为其对角线长度。
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视场光阑、入窗和出窗的判定方法
判断原则：
将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对其前（后） 面的光学系统成像到系统的物（像）空间去，并根据各像的 位置及大小求出它们对入（出）瞳中心的张角，其中张角最 小者为入窗（出窗），入窗（出窗）对应的物即为视场光阑。
以入瞳中心为投影中心（透视中心），将空间各点沿
主光线方向向对准平面上投影，则各投影点在景像平面上 的共轭点即空间点的平面像。
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所有对准平面以外的空间点——弥散斑（对准
平面）——弥散斑（景像平面） 弥散斑的大小和入瞳直径有关。当入瞳小到一
定程度，两个弥散斑均可看作点，从而在景像平面上 得到对准平面以外空间点的清晰像。
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视场光阑的位置是固定的，其设置原则： 尽量使入窗与物面重合，或像平面与出窗 重合——不产生渐晕的必要条件。 视场光阑总是设置在系统的物面、实像平 面或中间实像平面上。

如显微镜、望远镜、照相机等都是安置在像 面上，投影仪、放映机则位于物面上，视场光阑 的大小分别为像面大小或是物面大小，个别仪器 除外（如放大镜和伽利略望远镜等）
Dp Dl = D z1 D z'
l2 =
Dl Dl = D + z2 D + z'
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对照相物镜，p>>f，故p≈ x
l1 = Dl D l = D z1 D z'
l1 = l2 =
Dl D l l2 = = D + z 2 D + z'
Dlf' Df' z' l Dlf' Df' + z' l
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照 相 机
书 写 式 投 影 仪
显 微 镜 、 望 远 镜
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5.3 渐晕光阑及场镜的应用
轴外光束的渐晕
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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的现象叫轴外光束的 渐晕——轴上与轴外物点成像光束大小不 同的现象。 视场光阑与物面和像面均不重合——视场 产生渐晕。 轴外物点的成像光线因逐渐减弱而没有清 晰的视场边界。
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渐晕光阑和视场光阑都是限制成像范围的， 但应注意区别二者的不同：
（1）实像面上限制成像范围的光孔才是视场光阑， 其他起拦光作用的是渐晕光阑； （2）有视场光阑时视场光阑限制成像范围，视场有 清晰的边界，没有视场光阑的系统必有渐晕光 阑，它限制成像范围，但没有清晰的没有，也可以有多个，一般一个系 统可以有0~2个渐晕光阑 ；渐晕光阑使边缘视场 一部分光被拦，照度下降。