第四章 光学系统中的光阑和光束限制

显微镜的成像原理：
物镜
教材P31--P32
目镜
B’
A
y’ '
'
-y
F’1
△
F2 A’
物体对人眼的张角
-y -

-L
D L tgω ' G tgω f '1 f '2
图4-14 显微镜系统光路 一般观察显微镜中，显微物镜上的轴向光束口径最大，通 常把孔径光澜选在物镜框上
望远镜光学系统小结：

两个光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原则。
目视光学系统的出瞳一般在外，且出瞳距不能短于 6mm。

望远镜系统的孔径光阑在物镜左右，尽量减小光学
零件的尺寸和体积。

分划板框是望远系统的视场光阑。
[例1] 6×双目望远镜系统中，物镜焦距为108mm，物
镜口径为30mm，目镜口径为20mm，如果系统中没有 视场光澜，问该望远镜最大极限视场角等于多少？渐晕 系数K=0.5时的视场角等于多少？
望远系统的垂轴放大率与物体所处位置无关
表4-1
阑位 (1) (2) (3) D物 31.5 30 31.6 D棱
通光口径
D分 16 16 16 D目 23.5 23.7 24 l’ z 20.5 21 21.3
31.5> D棱>16 30> D棱>16 31.6> D棱>16
在第二种位置时，即将物镜框作为系统的孔径 光阑，物镜口径最小。
§4.1
一、光 阑
光
阑
光阑： 限制成像光束的光孔，或者是限制成像范围的光 孔或金属框,可分为孔径光阑和视场光阑。 光阑在光学系统中的作用： 决定能通过光学系统的光束； 决定系统的视场； 限制光束中偏离理想位置最大 的一些光线，以改善成像质量； 拦截系统中有害杂散光；
图4-1 照相系统简图
图4-6 入射窗与出射窗
§4.2
照相系统中的光阑
L：照相镜头 A： 可变光阑
图4-7 照相系统简图
B：感光底片
图4-8 孔径光阑对轴上点光束的限制
图4-9a 可变光阑对成像光束的影响
光阑处于A’位置时所需的透镜口径要比处于A位置 的透镜口径大
a)
b)
图4-10 孔径光阑对轴外点光束的限制
渐晕光阑
-u
u’
-u
u’
-u
u’
-u
u’
图4-2 孔径光阑对轴上物点光束的限制
B A C
图4-3 孔径光阑位置对轴外点成像光束的选择
3、入射光瞳和出射光瞳（图4-4）
入射光瞳（简称入瞳）：入射光线的入口。
孔径光阑经其前面的透镜在光学系统物空间所成的像。 出射光瞳（简称出瞳）：出射光线的出口。 孔径光阑经其后面的透镜在光学系统像空间所成的像。
L：照相镜头 A： 可变光阑 B：感光底片
二、孔径光阑 1、定义
孔径光阑：限制轴物点成像光束宽度、并有选择轴外 物点成像光束位置作用的光阑 可以是系统中某个透镜的镜框，也可以是专门设置的光阑。 2、孔径光阑的位置对选择光束的作用 (1) 孔径光阑对轴上点光束的限制（图4-2） (2) 孔径光阑对轴外点成像光束的选择（图4-3）
主光线： 通过入瞳中心的光线。 主光线（或其延长线）必须通过入瞳、孔径光阑、 出瞳的中心。
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主光线
图4-4
入瞳与出瞳
入瞳
孔径光阑（出瞳）
4、孔径光阑位置及安放原则

孔径光阑的安置通常和物镜镜框重合或在物镜附近，这 可使同样孔径角的情况下，物镜的尺寸较小。 入瞳 入瞳
B
A
Umax
B 入瞳 A Umax
D
Dω
渐晕：由于轴外斜光束 宽度小于轴上点光束宽 度，而引起像平面边缘 部分比像中心暗的现象 图4-11 轴外光束的渐晕 渐晕系数：斜光束在子午面 内光束宽度与轴上点光束的 口径之比： K=Dw/D
照相光学系统小结：

根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置。 在有渐晕的情形下，轴外点光束的宽度不仅由孔径 光阑的口径决定，而且与渐晕光阑的口径有关。

在照相光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。

孔径光阑的形状一般为圆形，视场光阑的形状为圆形
或矩形。
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§4.3 望远镜系统中成像光束的选择
一、望远镜系统的基本结构：（图4-7） 二、望远镜系统中的光束限制：
1. 光瞳衔接原则：（图4-8）
前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合
2. 孔径光阑在不同位置处的计算 （1）物镜左侧10mm；
选择望远镜系统成像光束位置的基本原则：
1、首先根据系统光学特性（D/f ’、f ’）的要求， 对轴上点边缘光线进行光路计算，从而确定轴上点边 缘光线在系统中每个光学零件或光澜上的口径，这些 轴向光束口径是为保证光学系统的光学特性，系统中 各个光学零件所必需的最小口径。 2、一般情况下，使轴外光束的主光线，通过轴向光束口径 最大的光学零件或光澜的中心，即一般情况下轴向光束口 径最大的孔或框作为孔径光澜。根据这一原则望远镜系统 中通常把孔径光澜选在物镜框上。 轴外点成像光束位置确定后，计算边缘视场上、下边缘 光线，以确定各个光学零件的实际通光口径
极限视场角是刚刚能进入系统一条光线时所对应的视场角。
C B’
D
ωmax f’物 f’目
2max 11.33, K D 0.5时的视场角 20.5 9.08
§4.4
显微镜系统中的光束限制与分析
一、简单显微镜系统中的光束限制：（图4-11）
二、远心光路：
1. 显微镜的测长原理： 2. 孔径光阑的位置对测量误差的影响：（图4-12) 3. 物方远心光路及其特点： 入瞳位于无穷远，轴外点主光线平行于光轴；
（2）物镜上；
（3）物镜右侧10mm;
视角放大率：Г =6X 视场角：2ω =8º30´ 出瞳直径：D’=5mm 出瞳距离：lz’≥11mm 物镜焦距：f物’=108mm
图4-12
双目望远镜系统
目镜焦距：f目’=18mm
图4-13 望远镜系统简化图
结构特点：第一个光组的像方焦点F1’与第二个光组 的物方焦点F2重合，（Φ=0，无焦系统） f1’＞ f2’ 垂轴放大率
B A
Umax
三、视场光阑及入射窗、出射窗（图4-6）
视场光阑：限制成像范围的光阑 能清晰成像的物面范围称为光学系统的物方视场， 相应的像面范围称为像方视场。 入射窗：视场光阑经其前面的光组在物空间所成的像
出射窗：视场光阑经其后面的光组在像空间所成的像
视场角：轴外点主光线与光轴间的夹角。 物方视场角：在物空间，入射窗边缘对入瞳中心所张的角度。 像方视场角：在像空间，出射窗边缘对出瞳中心所张的角度。