工程光学第四章优秀课件
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精品课件-工程光学(韩军)-第4章
第4章 平面与平面系统 图4－1 平面镜实物成虚像
第4章 平面与平面系统
根据反射定律AON BON ，可得AP AP ， 且均垂直于平面镜PP ，像点A 对平面镜PP 而言和物点 对称，因光线AO 是任意的，所以由A 点发出的同心光束， 经平面镜反射后，成为一个以A 点为顶点的同心光束，这
就是说，平面镜能对物体成完善像。 比较图 4-1 和图 4-2 还可看到物体经平面镜后，实物
sin I1 nsin I1 n sin I 2 sin I 2
因 两 折 射 面 平 行 ， 所 以 I 2 I1 ，I 2 I1 ， 故 U1 U 2 ，可见出射光线EB 和入射光线AD 相互平
行。即光线经平行平板折射后方向不变。根据放大率公
式
tanU 2 1, 1 1, 2 1
平面反射镜的这一性质可用于测量物体的微小转角或位移。 如图4－5所示，R为刻有标尺的分划板，位于物镜L的前焦面 上，当测杆处于零位时，平面镜处于垂直光轴的状态 M0，此时从标尺零点即F点发出的光束经物镜折射、平面镜反 射之后，沿原路返回，重新聚焦于F点。当测杆被被测物体推 移x而使平面镜绕支点转动了α角后，平面镜处于M1状态，平 行光束被反射后，将偏移光轴2α角，聚焦于标尺的F′点。
第4章 平面与平面系统
平面反射镜的这一性质可用于测量物体的微小转角或位
移。如图 4-5 所示，R 为刻有标尺的分划板，位于物镜L 的
前焦面上，当测杆处于零位时，平面镜处于垂直光轴的状态
M 0 ，此时从标尺零点即F 点发出的光束经物镜、平面镜之 后，沿原路返回，重新聚焦于F 点。当测杆被被测物体推移x 而使平面镜绕支点转动 角，此时，平面镜处于状态M1 ，平 行光束被反射后，将偏移光轴2 角，聚焦于标尺的 F 上。 根据几何关系，测杆的位移量 x ytg ，导致的聚焦点位移
工程光学 第四章_光学系统中的光阑与光束限制
A 2 1
2′
B'
30 26.565o 2 (30) D2 2( l1 l2 )
) U1 ) U 2
U 2 (
U 2 arctg arctg
B
A'
44 23.749o 2 (30 20)
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。
★景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值 y D pp z2 D p z z1 y ★对准平面上对应弥散斑的允许值：z z1 z2 ★远景、近景到入瞳的距离：
z1 2a p1 p p1
z2 2a p p2 p2
z
p
2ap 2ap p1 p2 2a z1 2a z 2
，
以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：
★ 正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的 张角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。
y y' ' tan tan p D
y' D p p y
以下推导 不考虑正负号
眼睛
u
：人眼的
极限分辨角
p
p
清晰像：弥散斑直径对人眼的张角< 人眼的极限分辨角 1 ~ 2
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
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。
近景平面 远景 平面
1 2
入瞳中心： 物空间参数 的起算原点
2′
B'
30 26.565o 2 (30) D2 2( l1 l2 )
) U1 ) U 2
U 2 (
U 2 arctg arctg
B
A'
44 23.749o 2 (30 20)
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。
★景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值 y D pp z2 D p z z1 y ★对准平面上对应弥散斑的允许值：z z1 z2 ★远景、近景到入瞳的距离：
z1 2a p1 p p1
z2 2a p p2 p2
z
p
2ap 2ap p1 p2 2a z1 2a z 2
，
以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：
★ 正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的 张角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。
y y' ' tan tan p D
y' D p p y
以下推导 不考虑正负号
眼睛
u
：人眼的
极限分辨角
p
p
清晰像：弥散斑直径对人眼的张角< 人眼的极限分辨角 1 ~ 2
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
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。
近景平面 远景 平面
1 2
入瞳中心： 物空间参数 的起算原点
应用光学 郁道银版的课件 工程光学 第四章)
对于无限远的物体，光学系统的所有光 孔被其前面的光学零件在物空间所成的像 中，直径最小的一个光孔像就是系统的入 瞳。
视场光阑、入射窗、出射窗
光学系统的成像范围是有限的。
照相机中底片框限制了被成像范围 的大小
工具显微镜中分划板的直径决定成 像物体的大小
第三节望远镜系统中成像光束的选择
典型的双目望远镜系统是由一个物镜、一 对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的， 如图4-7所示。有关光学数据如下：
或加大，从而达到调节光能量以适应外界
不同的照明条件。显然可变光阑不能放在
镜头L上，否A1则A2
的大小就不可变了。
底片框B1B2 的大小确定的。超出底片框的
范围，光线被遮拦，底片就不能感光。
在光学系统中，不论是限制成像光束口径、 或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为 “光阑”。
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑 称为“孔径光阑” ，例如照像系统中的可 变光阑 A 就是孔径光阑。
渐晕光阑
光阑以减少轴外像差为目的，使物空 间轴外点发出的、原本能通过上述两 种光孔的成像光束只能部分通过，这 种光阑称为渐晕光阑。
入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是 出射光瞳
入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。 如果光阑在整个光学系统的像空间，那
么它本身也就是出射光瞳；
反之，若在物空间，它就是入射光瞳
光学系统中的光束限制
§1 照像系统和光阑 §2 望远镜系统中成像光束的选择 §3 显微镜系统中的光束限制与分析 §4 光学系统的景深 补充: 光学系统的分辨率
实际光学系统与理想光学系统不同， 其参与成像的光束宽度和成像范围都是 有限的。限制来自于光学零件的尺寸大 小和其他金属框。从光学设计的角度看， 如何合理的选择成像光束是必须分析的 问题。光学系统不同，对参与成像的光 束位置和宽度要求也不同。
视场光阑、入射窗、出射窗
光学系统的成像范围是有限的。
照相机中底片框限制了被成像范围 的大小
工具显微镜中分划板的直径决定成 像物体的大小
第三节望远镜系统中成像光束的选择
典型的双目望远镜系统是由一个物镜、一 对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的， 如图4-7所示。有关光学数据如下：
或加大，从而达到调节光能量以适应外界
不同的照明条件。显然可变光阑不能放在
镜头L上，否A1则A2
的大小就不可变了。
底片框B1B2 的大小确定的。超出底片框的
范围，光线被遮拦，底片就不能感光。
在光学系统中，不论是限制成像光束口径、 或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为 “光阑”。
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑 称为“孔径光阑” ，例如照像系统中的可 变光阑 A 就是孔径光阑。
渐晕光阑
光阑以减少轴外像差为目的，使物空 间轴外点发出的、原本能通过上述两 种光孔的成像光束只能部分通过，这 种光阑称为渐晕光阑。
入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是 出射光瞳
入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。 如果光阑在整个光学系统的像空间，那
么它本身也就是出射光瞳；
反之，若在物空间，它就是入射光瞳
光学系统中的光束限制
§1 照像系统和光阑 §2 望远镜系统中成像光束的选择 §3 显微镜系统中的光束限制与分析 §4 光学系统的景深 补充: 光学系统的分辨率
实际光学系统与理想光学系统不同， 其参与成像的光束宽度和成像范围都是 有限的。限制来自于光学零件的尺寸大 小和其他金属框。从光学设计的角度看， 如何合理的选择成像光束是必须分析的 问题。光学系统不同，对参与成像的光 束位置和宽度要求也不同。
工程光学(光阑)ppt课件
入射窗
出瞳
入瞳
L1
L2
像
物
主光线
视场光阑 出射窗
孔径光阑
以上只讨论了入射光瞳口径为无限小的情况。实际上，光学系统的入射
光瞳总是有一定大小。有时还可能很大。此时系统小光束被限制的情况就变
得复杂一些。下面我们就一般情况作精简品课要件分析。
15
当入射光瞳有一定大小时，由轴外物点发出的充满入瞳的光束，有时会 被某些透镜框所遮拦。如图所示，透镜L1、L2分别位于孔径光阑D的两侧。 由轴外物点B发出的充满入瞳的光束，其中只有一部分（画有阴影线部分） 通过系统成像，而其上下各有一部分分别被透镜L2与L1的镜框所遮拦。因此， 轴外物点成像光束的孔径显然要比轴上物点小。致使像面上从中央到边缘， 光照度逐渐下降，这种现象称为“惭晕”。
B
C A
精品课件
4
（二）入射光瞳、出射光瞳 入射光瞳：孔径光阑经其前面的光组在物空间的像。也就是从透镜左向右方 观察所看到的孔径光阑的像。 出射光瞳：孔径光阑经其后面的光组在像空间成的像。 入射光瞳、出射光瞳和孔径光阑三者是共轭关系。 入射光瞳是光束进入系统的公共入口，出射光瞳是光束射出系统的公共出口。
“光阑”。
在光学系统中，不单用装夹光学零件的金属框的内孔来限制光束，有
时还要专门设置一些带孔的金属薄片来限制光束，这些就是专用光阑。专
用光阑的通光孔一般为圆形，其中心线和光轴重合。多数专用光阑的孔径
是固定的，但也有可变的。孔径可变的光阑称为可变光阑，常用于照相物
镜中。又如人眼的瞳孔也是一个可变光阑，其孔径能随外界光线的强弱
视场光阑——决定物平面或物空间成像范围的光阑。在多数光学系统 如照相机、显微系统中，视场光阑的位置常被设置在系统物镜的像平面上， 这样，视场才能具有清晰的边界。
工程光学基础4演示模板.ppt
（1）在照像光学系统中，根据轴外光束的像 质来选择孔径光阑的位置，其大致位置在照
像物镜的某个空气间隔中，如图4-6所示。 （2）在照像光学系统中，感光底片的框子就
是视场光阑。
（3）孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光 阑的形状为圆形或矩形等。
0.0
11
对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的， 如图4-7所示。有关光学数据如下：
片框 B1B2 的大小确定的。超出底片框的范
围，光线被遮拦，底片就不能感光。
0.0
5
或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为 “光阑”。
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑 称为“孔径光阑” ，例如照像系统中的可 变光阑 A 就是孔径光阑。
限制成像范围的光阑称为“视场光阑” ，
例如照像系统中的底片框B1B2 就是视场光
16
（2）
30
31.5> D棱>16
16
（3） 31.6
31.5> D棱>16
16
0.0
D目 23.5 23.7 24.0
22
由表可见，物镜的通光口径无论在何种
光阑位置情况下都是最大的；出瞳距lz '相
差不大，且能满足预定要求。
所以选择使物镜口径最小的光阑位置是 适宜的，故取第二种情况将物境框作为系 统孔径光阑。
（4）可放分划板的望远系统中，分划板 框是望远系统的视场光阑。
0.0
26
与分析
由前面两节的分析知道，光学系统中的光束 选择一定要具体对象具体分析。这里再以显微 镜系统为例，介绍一些光束选择的考虑与分析。
0.0
27
一、简单显微镜系统中的光束限制：
中成像光束的口径往往由物镜框限制，物镜 框是孔径光阑。位于目镜物方焦面上的圆孔 光阑或分划板框限制了系统的成像范围，成 为系统的视场光阑，如下图所示。
像物镜的某个空气间隔中，如图4-6所示。 （2）在照像光学系统中，感光底片的框子就
是视场光阑。
（3）孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光 阑的形状为圆形或矩形等。
0.0
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对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的， 如图4-7所示。有关光学数据如下：
片框 B1B2 的大小确定的。超出底片框的范
围，光线被遮拦，底片就不能感光。
0.0
5
或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为 “光阑”。
限制进入光学系统的成像光束口径的光阑 称为“孔径光阑” ，例如照像系统中的可 变光阑 A 就是孔径光阑。
限制成像范围的光阑称为“视场光阑” ，
例如照像系统中的底片框B1B2 就是视场光
16
（2）
30
31.5> D棱>16
16
（3） 31.6
31.5> D棱>16
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0.0
D目 23.5 23.7 24.0
22
由表可见，物镜的通光口径无论在何种
光阑位置情况下都是最大的；出瞳距lz '相
差不大，且能满足预定要求。
所以选择使物镜口径最小的光阑位置是 适宜的，故取第二种情况将物境框作为系 统孔径光阑。
（4）可放分划板的望远系统中，分划板 框是望远系统的视场光阑。
0.0
26
与分析
由前面两节的分析知道，光学系统中的光束 选择一定要具体对象具体分析。这里再以显微 镜系统为例，介绍一些光束选择的考虑与分析。
0.0
27
一、简单显微镜系统中的光束限制：
中成像光束的口径往往由物镜框限制，物镜 框是孔径光阑。位于目镜物方焦面上的圆孔 光阑或分划板框限制了系统的成像范围，成 为系统的视场光阑，如下图所示。
工程光学郁道银 ppt课件
以照相机为例，分析人眼看照片认为是清晰图像的情况：
★ 正确透视距离：观察距离满足照片上各点对人眼睛的张 角，与直接观察空间时各对应点对眼睛的张角相等。
tan y tan' y'
p
D
D y' p p
y
以下推导 不考虑正负号
p
2020/12/27
眼睛
u
： 人 眼 的 极限分辨角
p
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清 晰 像 ： 弥 散 斑 直 径 对 人 眼 的 张 角 < 人 眼 的 极 限 分 辨 角 1 ~ 2
★景像平面（照片）上弥散斑直径的允许值
D y p p y
zz1 z2 Dp
★对准平面上对应弥散斑的允许值：z
z1
z2
z
p
★远景、近景到入瞳的距离：
z1
2a
p1 p1
p
z2
2a
p
p2 p2
p1
2ap 2a z1
p2
2ap 2a z2
★远景、近景到对准平面的距离：
1
p1
p pz1 2az1
34
例1：现有一照相机，其物镜f′=75mm，现以常摄距离 p=3m进行拍摄，光圈的相对孔径D/f′(入瞳直径与焦距之 比)分别采用1/3.5和1/22，试分别求其景深。
人眼的极限分辨角：
10.00029rad
12
4ap2 4a2 p22
解：1) D 1 / 3 .5 2 a D f 2 1 .4 3m m
第4章 -2 光学系统中的光阑
与光束限制
2020/12/27
1
本章内容提要
第一节 光阑
第二节 照相系统的光阑
工程光学4
• 2、高斯公式：
l = −(100 + 0.565) = −100.565 代入高斯公式： f` f + =1 l` l l `= 19.898 l `2 = 19.898 − 2.828 = 17.070 y` fl ` − 16.611 × 19.898 = −0.19786 = β = =− y f `l 16.611 × ( −100.565) y `= β ⋅ y = ( −0.19786) × 10 = −1.9786
物像空间不变式
• 拉格朗日-亥姆霍兹不 变式（拉赫不变量）： y ` nl ` β= = 实际光学系统在近轴 y n`l 范围内成像的一种普 h h h 在近轴时： − u = 或u = ; u`= 遍物性。 −l l l`
u l` = u` l y ` nl ` nu ⇒β = = = y n`l n`u` ⇒ nuy = n`u` y `= const ⇒
• l-以物方主点H为原点 到物点的距离，从左 向右为正，反之为负； • l`-以像方主点Ｈ`为原 l`` 点到像点的距离，从 左向右为正，反之为 负。 • 物/像高度与前一致
− l = (− x) + (− f ) l `= x`+ f ` ⇒ x = l − f ; x`= l `− f ` 代入牛顿公式得： f` f + =1 l` l x` l `− f ` fl ` β =− =− =− f` f` f `l
β
f`
f`
=
f x`
• 4、三者间关系：
fl `2 f 1 α =− 2 =− ⋅ 2 f `l f` γ
β α = ⇒ β = αγ γ
节平面和节点
• 理想光学系统中，除一对主平面H、H`，和两焦点 F和F`外，还有一对特殊的共轭面，即节平面。
4工程光学教学-作者--郁道银-第四章PPT课件
O1
F2
O2
45
180
195
（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳
2
tgU1
0.044 45
2.72/2 tgU 2454.4151.6
tgU3 2.50/2
U1最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经 O2的像为出瞳。
l'1l1l1 f'f2'2 1 19 9 1 1 5 55 5 1.2 6m 5 m D'1ll'11•D111.6 295 540.3m 3 m
45 •D3180102.5mm
17
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
O1
F2O2经O1成像
l'2l2l2 f'f1'1 1 19 9 3 3 5 56 6 4.1 4m 5 m D'2ll'22•D241.1 49 551 22.7m 2 m
18
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
第4章 光学系统中的光束限制
➢ 光阑 ➢ 照相系统中的光阑 ➢ 望远系统中成像光束的选择 ➢ 显微镜系统中的光束限制与分析 ➢ 光学系统的景深
1
本章重点
孔径光阑、视场光阑的确定方法 远心光路 景深
2
孔径光阑
1、孔径光阑的定义与作用 限制轴上物点光束大小的光孔，也称为“有效光阑” P1P2是孔径光阑,主要用于控制成像面的光能！
13
孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中 心连线决定。
入 射 窗
A
O'2
ω
出孔 射径 光光 瞳阑
入 射 光 瞳 B'
O1
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一、基本定义
ABC---棱镜光轴
A
光轴：光学系
统的光轴在棱镜 中的部分
光轴长度：
C
棱镜光轴的几
何长度；
B
AB+BC=
棱镜光轴长度
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14
一、基本定义
光轴 棱
主截面
2021/2/27
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15
一、基本定义
光轴 光轴截面
入射光轴截面 出射光轴截面
22
(2).展开方法 利用棱镜反射面的性质， 将转折的光路拉直。
即：按入射光线的顺序，以反 射面为镜面，求其对称像，并 依次画出反射棱镜的展开图。
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23
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24
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25
L
平行平板的厚度就是反射棱镜的展开长度 或称光轴长度（L）。
工程光学第四章
§4-1 平面镜棱镜系统在光学仪器中的应用
平面镜棱镜在光学系统中的作用
改变共轴系统的光轴方向（减少体积和减 轻重量） 改变像的方向 利用平面镜转动作用扩大仪器的放大率 改变观察方向扩大仪器的观测范围 实现分光、合像和微位移
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2
§4-2 平面反射镜的成像性质
“棱镜的展开”
2021/2/27
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21
(1).为了使棱镜和共轴球面系统组合后， 仍能保持共轴球面系统的特性，必须对棱 镜的结构提出一定的要求：
a．棱镜展开后玻璃板的两个表面必 须平行。
b．如果棱镜位于会聚光束中，则光 轴必须和棱镜的入射及出射表面相垂 直。
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2021/2/27
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11
五角棱镜
2021/2/27
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12
§4-4 棱镜和棱镜的展开
主要讲述把多个反射面集成在同 一块光学材料上的情况
反射棱镜：把多个反射面作在同一块光学 材料（如玻璃）上的光学零件。
注：光线在棱镜反射面上的入射角大于 临界角时，在反射面发生全反射，不镀膜
6
平面镜的旋转与平移效应
A B
A ′A ″=2h
P
Qh
A”
2h
A’
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7
平面镜旋转特性的应用： 光学比较仪中的光学杠杆
M
L1
A
H H'
A'
M
MM为分划板
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P
支点
a
测杆
P
PP为反射镜 8
M
L1
A'
A
M -f
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F' H H'
b)
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P
a
测杆
P
9
P
AP
两
面 角 镜
I1
I1
O1
的
性
O2
I2
q
N
质
I2
及
应 用
q
β=2θ
M
β≤90
b
2021/2/27
P
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10
β角与I角的大小无关，只取决于两平
面镜夹角的大小θ
当双平面镜绕棱线转动时，只要保
持θ角不变，二次反射像是不动的，
即出射光线的方向不变，但光线位置 要产生平行位移。
被称为镜像；
2021/2/27
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4
凡一次镜面反射或奇次镜面 反射像被称为镜像；
凡二次镜面反射或偶次 镜面 反射像被称为一致像
2021/2/27
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§4-3 平面反射镜的旋转及其应用
平面反射镜的旋转与平移效应
∠A’OA”=2∠POP’
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展开后应先找到棱镜限制光束的位置，
再求尺寸，即棱镜通光光束的口径（D）。
2021/2/27
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光路计算中，棱镜等效平行平板的厚度 L为棱镜光轴长度，设棱镜的通光光束 口径为D，则
LkD
k 取决于棱镜的结构形式，与棱镜的大
小无关，称为棱镜的结构参数。
2021/2/27
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如果在不改变光轴方向和主截面内成像方向的 条件下需要得到物体的一致像而又不想增加反射棱 镜时，怎么办？
可用交线位于光轴面内的两个相互垂直的 反射面来取代其中的一个反射面，使垂直于主 截面内的坐标被这两个相互垂直的反射面依次 反射而改变方向，从而得到物体的一致像。
屋脊棱镜
LDctgDctgb
2
k ctg b
2
2021/2/27
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5.五角棱镜展开
L22D k2 23.414
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6.斯密特棱镜展开
A k1 22.41B4'
D'
B
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A' C
L12D
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§4-5 屋脊面和屋脊棱镜
A B
P
O
Q
A’
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1、平面镜能使整个空间任意物点理想成像； 物点和像点对平面镜而言是对称的；
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3
采
P
用
右y
手
x
坐z O 标
y' x' z'
O’
大
拇
食指
指代
中 指 代 表
代 表 轴
表 轴
X Y Z
法
轴
则
Q 2、物和像大小相等，但形状不同；
凡一次镜面反射或奇次 镜面反射像
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（二）、几种典型棱镜的展开
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1.直角棱镜展开
L=D
D
L
一次反射时
k=1
L—棱镜的光轴长度， D—入射光束口径
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D
L=2D
K=2
L
二次反射时，
L—棱镜的光轴长度，D —入射光束口径
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二、棱镜的等效作用与展开
㈠、等效作用与展开方法
1.等效作用 反射棱镜有两个折射 面和若干反射面，若不考虑反射面， 光线在两个折射面之间的行为等效于 一个平行平板
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F
F′
平行光经透镜成像时加一平面镜
平行光经透镜成像于焦点F’上
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A′
A
对于这种光路的等效光路
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2. 棱镜的展开
把棱镜的光轴截面沿着它 的反射面展开，取消棱镜的 反射，以平行玻璃板的折射 代替棱镜折射的方法称为
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2.道威棱镜展开
D L
L 2nD 2n2 11 2n
k 2n2 11
必须注意，这类棱镜因为光轴不垂直于棱镜面入射，
故只能用在平行光束中
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3.半五角棱镜展开
L 1
2 2
D
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k 1 2 1.707 2
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4.等腰棱镜展开