第 4 章光学系统中的光束限制

第4章光学系统中的光束限制 • §4-1 照相系统和光阑 • §4-2 望远系统中成像光束的选择 • §4-3 显微系统中成像光束的选择 • §4-4 光学系统的景深

第四章 光学系统中光束的限制视场：物空间可以被系统成清晰像的宽度。景深：物空间在同一像面上成清晰像的深度。§4-1 照相系统和光阑一、光阑与光阑的像 1 .孔径光阑——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。)

2’ 3’ 1（1’） 2 3 • 孔径光阑的确定方法:

A A’ L 孔径光阑对轴外点光束的限制孔径光阑对轴上点光束的限制

照相系统和光阑 照相机 2 .视场光阑——限制系统成像范围的光阑。

照相系统和光阑 3 .渐晕光阑——物空间发出的、本来能通过上述两种光阑的成像光束,由于该光阑的存在只能部分通过，称为渐晕光阑。 4 .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。

照相系统和光阑 B1 A1 A2 B2 L 照相机系统简图 5.入瞳——孔阑经其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像。入射光束的入口。 6.出瞳——孔阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像。出射光束的出口。 7.入窗——场阑经其前面的光组在光学系统物空间所成的像. 8.出窗——场阑经其后面的光组在光学系统像空间所成的像. 9.主光线——通过入瞳中心的光线。

照相系统和光阑

照相系统和光阑 传统：机械快门DC：电子快门、机械快门

照相系统和光阑 取景：旁轴（误差）单反（通过镜头取景）

照相系统和光阑

照相系统和光阑 成像原理

照相系统和光阑 1/8s 1/15s 1/30s 1/60s 1/125s 1/500s 1/1000s 16 11 8 5.6 4 2.8 2 普通照相系统：照相镜头、可变光阑、感光底片。可变光阑：大小可变的圆，调节光能量以适应外界不同的照明条件。感光底片：确定成像范围。照相机系统：入窗——∞；出窗——与视场光阑（底片即焦平面）重合

照相系统和光阑 P0 P’ 出瞳入瞳 P 照相机系统：入窗——∞；出窗——与视场光阑（底片即焦平面）重合理想光学系统：主光线必经过入瞳、孔阑、出瞳中心。

照相系统和光阑 M M’ N A A’ L N’ 二、孔径光阑对轴外点光束的限制孔阑位置不同，参与成像的轴外光束不同，轴外光束通过透镜的部位也不同，需要透过全部成像光束的透镜口径大小也不一样。

照相系统和光阑 D -w M’ Dw L 孔阑入瞳入窗和物平面不重合产生的渐晕 A’ L A 渐晕光阑渐晕系数kk =Dw / D N’

照相系统和光阑 的像 • 三、总结 • 根据轴外光束的像质选择孔阑位置，大致在照相物镜的某个空气间隔中。 • 有渐晕时，轴外物点光束宽度和孔阑口径、渐晕光阑口径有关。 • 感光底片框——视场光阑。 • 孔阑——圆形，场阑——圆形或矩形。

lz’ y F1’ F2 -w w’ w’ §4-2 望远系统中成像光束的选择双目望远镜: 光瞳衔接 lz’≥6mm, 军用20mm. 为满足出瞳在目镜之外，孔阑需放在分划板之左（>f ’）

分划板（焦平面） y’ -w -w f’ 分划板 -w 望远系统中成像光束的选择

孔阑入瞳分划板 -w -lz f物’ f目’ lz’ 望远系统中成像光束的选择

孔阑入瞳分划板 P0 -u2’ P -w -u1’ lz’ lz 望远系统中成像光束的选择

-10 0 10 ① ② ③ 望远系统中成像光束的选择轴外点发出的整个光束中（同一视场角w），光阑位置不同，选择的轴外光束的位置也不同。 • 总结： • 光学系统联用时，一般应满足光瞳衔接原理； • 目视光学系统的出瞳一般在外面（目镜之后），出瞳距≥6mm; • 孔阑大致在物镜左右，根据尽量减小光学零件的尺寸和体积来设定； • 可安放分划板的望远系统中，分划板框是望远系统的视场光阑。

场阑目镜物镜（孔阑）出瞳（分划板或圆孔光阑） §4-3 显微系统中成像光束的选择一、简单显微镜系统中的光束限制 • 二、远心光路 • 测量长度的显微镜： • 测像大小，求物大小。 • 测像大小，求物体的距离。

物方远心光路 显微系统中成像光束的选择

分划板 B’ A1 A B1’ y’ y1’ y A1’ B1 B 孔阑位于物镜上 A’ 孔阑位于物镜像方焦平面分划板 B’ A A1 B1’ y1’=y’ y B1 A1’ B A’ 显微系统中成像光束的选择 • 物方远心光路——测量长度的显微镜理解分划板与物镜间距离不变。孔阑位于物镜的像方焦平面，入瞳位于 -∞，轴外物点主光线平行于光轴。 b要求严格。

显微系统中成像光束的选择 • 像方远心光路——大地测量仪器 • 物镜的物方焦平面上设孔阑，像方主光线平行光轴。改变物镜和分划间距离。分划板上一对固定间距的测距丝M1M2，对应标尺上的物体长度B1B2。

场镜 -1×转像系统 -1×转像系统显微系统中成像光束的选择三、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，对系统特性、方向无影响。场镜将孔阑成像于-1×转像透镜上——光瞳衔接，减小光学零件的口径。

显微系统中成像光束的选择 • 四、总结 • 一般显微系统中，显微物镜上设孔阑；一次实像面（分划板）处设场阑。 • 测长时，为了消除测量误差： • 像方焦平面上设孔阑——物方远心光路（显微系统）， • 物方焦平面上设孔阑——像方远心光路（望远系统）。 • 长光路系统中，场镜的作用：光瞳衔接，减小光学零件的口径。

光学系统的景深 §4-4 光学系统的景深一、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

对准平面B 景像平面B’ 入瞳出瞳 B4’ B1 a B01 B04’ b B3’ B02’ B2’ B03’ P P’ B02 a’ B03 B2 B3 B1’ B01’ B4 B04 b’ 光学系统的景深对准平面、景像平面

光学系统的景深 空间点的平面像的取得：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。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）

对准平面 景像平面入瞳出瞳对准平面景像平面入瞳出瞳 S1 S1 S2 S2 P’ A’ P’ A’ P A A P S2’ S1’ S1’(S2’) 光学系统的景深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。透视失真——投影中心前后移动（入瞳位置发生变化），投影像的变化和景物是不成比例的。

入瞳出瞳 w2’ w1’ -w1 -w2 P’ P 光学系统的景深景像畸变(广角物镜）球状物体对入瞳张以圆锥状立体角

景像平面 光学系统的景深二、光学系统的景深 P、P1、P2、P’、P1’、P2’____各平面至入瞳、出瞳的距离 Z1、Z2、Z1’、Z2’ ___ 弥散斑直径Z1’＝bZ1、Z2’＝bZ2

光学系统的景深 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：能成清晰像的最远平面（远景平面）近景深度D2：能成清晰像的最近平面（近景平面） D=D1+D2 Z’大小除与2a有关，还与距离P、P1、P2有关。 ε确定后，Z还与眼睛到照片的距离有关——观测距离（L)

光学系统的景深 表明：观察者用一只眼睛观察照片时，会将其投射到空间去获得立体感。所以应使照片上各像点对眼睛的张角与直接观察该物体对各对应点对眼睛的张角相等。符合这一条件的距离称为正确透视距离L。

对准平面 景像平面入瞳出瞳 B P1 P1’ y w1 A’ P P’ R -U w1’ -w2 A 2a -y’ P2 P2’ B’ -P P’ L 光学系统的景深正确透视距离时（忽略符号）： ε —— 弥散斑对人眼的极限分辨角。< 1~2΄

总结 • 欲使对准平面后（左边）整个空间都能在景像平面上成清晰像，即几何意义：从对准平面中心看入瞳时，入瞳对人眼的张角等于极限分辨角e 。此时即：照相物镜调焦于时，入瞳前空间内成清晰像。光学系统的景深

若将照相物镜调焦于，即，则 即：照相物镜调焦于时，入瞳前空间内成清晰像。此时，近景距离P2比第一种情况的P2大，故景深也比第一种要小一些。光学系统的景深

当z’一定时，对某一对准位置 x，如f ’，则z， D。即景深随焦距增大而减小。光学系统的景深上述讨论是在正确透视距离条件下看照片，与 f ’无关。当规定景像平面上弥散斑不能超过某一数值时，此时

摄影系统 当观察距离一定时（为明视距离）（1）f ’，则D；（2）入瞳直径 2a（此时，F = f ’/2a ），则D；（3）拍摄距离 P，则D 。因此，用照相机拍摄时，选用光圈指数F，则D 。拍照时，光圈指数F越小(口径越大），景深D越小。 F=f’/D=1/AA=D/f’——相对孔径例

h1 h2 108 18 lz’ h1 h2 -w 108 18 lz’

h1 h2 -w 18 108 lz’ h1 h2 -w 108 18 lz’

第 4 章光学系统中的光束限制