物理光學與應用光學第四章

物理光學與應用光學第四章第一頁，共九十九頁，2022年，8月28日因為每個光學零件都有一定的大小，能夠進入系統(tǒng)成像的光束總有一定限制的。決定每個光學零件尺寸的就是系統(tǒng)中成像光束的位置和大小。光學系統(tǒng)除了物象共軛，成像放大率要求外，還要有一定成像范圍的要求。因為像平面上要有一定的光能和反映物面細節(jié)的能力(分辨率，由衍射理論知與孔徑成正比的)。第二頁，共九十九頁，2022年，8月28日光闌及其作用1.作用限制成像光束的孔徑角，成像的范圍，當然也就限制了進光量的多少，像的亮度；就限制了成像的大小了。通光孔徑例：在光學系統(tǒng)中，裝夾透鏡和其他零件的金屬框的內(nèi)孔邊緣就是限制光束的光孔。而僅僅靠他們來限制光束不遠遠不夠的，還需要特意設置限制光束的裝置的。2.光闌帶孔的金屬薄片。通常形狀是圓的，其中心和光軸重合，其平面與光軸垂直。光闌第三頁，共九十九頁，2022年，8月28日光闌的分類1.孔徑光闌它是限制軸上物點成像光束立體角的。在有些光學系統(tǒng)中是有特定要求的。它決定軸上點發(fā)出的平面光束的孔徑角。M1N1光闌第四頁，共九十九頁，2022年，8月28日(1)在目視光學系統(tǒng)中，光闌或者光闌的像一定要在光學系統(tǒng)的外邊，使眼睛的瞳孔可以與之重合，以達到良好的觀察效果。例：(2)在計量光學系統(tǒng)中，為了達到精確的測量，光闌常放在物鏡的焦平面上。形成“遠心光路”。除此以外，光學系統(tǒng)中的光闌位置是可以任意選擇的，但是，合理的選擇光闌的位置可以改善軸外點的成像質(zhì)量。12M1M2N1N2光闌第五頁，共九十九頁，2022年，8月28日當光闌位置改變時，應相應的改變其大小，以保證軸上點光束的孔徑角不變合理選擇光闌的位置，在保證成像質(zhì)量的前提下，可以使整個光學系統(tǒng)的尺寸減少，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)均稱。12M1M2N1N2光闌第六頁，共九十九頁，2022年，8月28日2.視場光闌它是決定物平面上或物空間中成像范圍的光闌。以上的兩種光闌是光學系統(tǒng)系統(tǒng)中最重要的光闌，任何系統(tǒng)都有這兩種光闌的。3.消雜光光闌(3)該光闌不限制通過光學系統(tǒng)的成像光束，只限制那些從非成像物體射來的光，例如：各反射面反射的光，儀器內(nèi)壁反射的光等。(1)雜光(2)其危害：使像面產(chǎn)生明亮的背景，降低像的襯度非成像的光，來自反射面反射的光，儀器內(nèi)壁反射的光等。第七頁，共九十九頁，2022年，8月28日(4)當然也只是一些重要的光學系統(tǒng)，專門設置消雜光光闌的，且可以有幾個的。例如：天文望遠鏡，長焦距平行光管等。(5)一般的系統(tǒng)僅僅使用其鏡管內(nèi)壁加工成內(nèi)螺紋，并涂以黑色無光漆或者煮黑來達到消雜光的目的。分劃板消雜光光闌物鏡第八頁，共九十九頁，2022年，8月28日第一節(jié)光闌1、孔徑光闌的定義和作用一、孔徑光闌(ApertureStops)

★含義1：限制軸上物點成像光束孔徑角大小的光闌。——限制成像光束和成像范圍第九頁，共九十九頁，2022年，8月28日★含義2：孔徑光闌的位置不同，但都起到了對軸上物點成像光束寬度的限制作用；只需相應的改變光闌大小，即可保證軸上物點成像光束的孔徑角不變。第十頁，共九十九頁，2022年，8月28日

★含義3：孔徑光闌的位置不同，則對應于選擇軸外物點發(fā)出光束的不同部分參與成像?！锟讖焦怅@的定義：1）限制軸上物點成像光束孔徑角的大?。▽挾龋?；2）選擇軸外物點成像光束的位置。第十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日2、入射光瞳與出射光瞳(EntranceandExitpupils)★Pupils：

TheimageoftheApertureStops★入射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其前面光學系統(tǒng)所成的像（物空間）★出射光瞳：孔徑光闌經(jīng)其后面光學系統(tǒng)所成的像（像空間）照相機鏡頭中的孔徑光闌第十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日孔徑光闌孔徑光闌物像關(guān)系后面光學系統(tǒng)入瞳出瞳孔徑光闌前面光學系統(tǒng)整個光學系統(tǒng)第十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日★孔徑光闌、入瞳與出瞳出瞳入瞳孔徑光闌1）入瞳：決定光學系統(tǒng)的物方光束的孔徑角。2）出瞳：決定光學系統(tǒng)的像方光束的孔徑角。3）孔徑光闌：實際起對光束限制作用的元件，決定了入瞳、出瞳；三者互為物像關(guān)系。第十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日3、關(guān)于孔徑光闌需要注意的幾個問題(1)

軸上物點的位置發(fā)生變化，孔徑光闌也會變化。

(2)幾個口徑一定的透鏡組合，判斷確定的軸上物點位置的孔徑光闌：★追跡光線法：過軸上物點的任一條近軸光線，求其在每個折射面的投射高度與實際口徑的比值，比值最大的折射面的邊框為透鏡組的孔徑光闌。第十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日將光學系統(tǒng)中所有光學零件的通光孔，分別通過其前面的光學零件成像到整個系統(tǒng)的物空間去，入射光瞳必然是其中對物平面中心的張角為最小的一個。入射光瞳的特性入射光瞳入射光瞳必定是對物面中心的張角最小的一個孔徑光闌-U第十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日出射光瞳的特性出射光瞳出射光瞳必定是對像面中心的張角最小的一個孔徑光闌將光學系統(tǒng)中所有光學零件的通光孔，分別通過其后面的光學零件成像到整個系統(tǒng)的像空間去，則出射光瞳必然是其中對像平面中心的張角為最小的一個。第十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日★成像張角比較法：

a.將光學系統(tǒng)所有光闌（各個透鏡和光圈等），對其前面的光學系統(tǒng)（物空間）成像，求像之大小和位置；b.由物位置（軸上點）向各像邊緣、第一個透鏡邊緣分別作連線，求張角最小值即為入瞳，相應的共軛物為孔徑光闌；c.孔徑光闌對后面光學系統(tǒng)（像空間）所成像即是出瞳。第十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日例1：已知物點A離透鏡1的距離為-l1=30mm，透鏡1的通光口徑D1=30mm,光孔2的直徑D2=22mm，像點A’離透鏡的距離l1′=60mm，透鏡與光孔之間距離為d=10mm，試確定這個系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳。ABA'B'12解：判斷孔徑光闌：軸上物點的成像張角比較法1）透鏡1框內(nèi)孔相對于前面光學系統(tǒng)的像與自身重合。2）光孔2相對于前面透鏡成像：2′第十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日ABA'B'123）D1，D2'對軸上物點A的張角：

D2′的張角最小，最能限制軸上物點A的成像光束，為入瞳，即光孔2為孔徑光闌，U2為物方孔徑角。光孔2后面無透鏡，孔徑光闌與出瞳重合，U2′為像方孔徑角。2′第二十頁，共九十九頁，2022年，8月28日(3)孔徑光闌位置的安放原則：a.目視光學系統(tǒng)，出瞳與人眼瞳孔銜接（光瞳銜接原則）；b.投影計量光學系統(tǒng)，保證投影像的倍率不因物距變化；c.對軸外光束像差校正；d.各光學元件的口徑匹配。第二十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日★理想光學系統(tǒng)：主光線必然通過入瞳及出瞳的中心。4、主光線（Chiefray）：出瞳入瞳孔徑光闌★定義：離軸物點發(fā)出的、通過孔徑光闌中心的光線?！镏鞴饩€是通過孔徑光闌、并參與成像的物光束的中心光線。第二十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日二、視場光闌(FieldStops)

1、視場光闌:★定義：在物/像面上安放的、限定光學系統(tǒng)成像范圍的光闌?！镂锓揭晥觯耗軌蚯逦上竦奈锩娣秶?；★像方視場：相應的能夠清晰成像的像面范圍；2、入射窗與出射窗★入射窗：視場光闌經(jīng)其前面光學系統(tǒng)所成的像（物空間）★出射窗：視場光闌經(jīng)其后面光學系統(tǒng)所成的像（像空間）3、視場光闌、入射窗與出射窗三者互為物象關(guān)系。第二十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日視場光闌

限制物平面或物空間范圍的光闌稱視場光闌。

Q1Q2是視場光闌。Q'1Q'2為入射窗;Q1Q2本身也為出射窗。通常設置在系統(tǒng)的實像平面或物平面出射光瞳孔徑光闌入射光瞳BAQ1Q2P1P2P'2P'1P''1P''2O1P''PP'O2-UU'視場光闌(出射窗)入射窗Q1’Q2’第二十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日孔徑光闌出射光瞳入射光瞳AB視場光闌入射窗出射窗C可見僅僅B點以內(nèi)的物點可以被系統(tǒng)成像。B點與入射光瞳中心的連線與光軸的夾角最小。入射窗對入射光瞳中心的張角為最小的出射窗對出射光瞳中心的張角為最小的視場角孔徑光闌為無限小時，物面范圍由入窗邊緣與入瞳中心連線決定。第二十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日(2)計算這些像的邊緣對入瞳中心的張角大小。張角最小者即為入射窗，入射窗對應的光學零件視場光闌.入射窗邊緣對入瞳中心的張角為物方視場角，同時也決定了視場邊緣點。視場光闌經(jīng)后面光學零件所成的像即為出射窗，出射窗對出瞳中心的張角即為像方視場角。視場光闌是對一定位置的孔徑光闌而言的。確定視場光闌的方法：

(1)把孔徑光闌以外的所有光孔經(jīng)前面的光學系統(tǒng)成像到物空間，確定入瞳中心位置(實際上在確定孔徑光闌時這一步驟已完成)。第二十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日B'ABO'2O1O2PP'A'ωP''ω'入射窗出射光瞳孔徑光闌入射光瞳孔徑光闌為無限小時，物面范圍由入窗邊緣與入瞳中心連線決定。線視場:物方線視場為物高的兩倍，以2y表示。像方線視場為像高的兩倍，以2y'表示。第二十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日減小孔徑光闌并不會對視場產(chǎn)生影響孔徑光闌的變化孔徑光闌BAP1P2O1P''PPO2-UU'主光線視場光闌在像方對光線的限制在本質(zhì)上是在物方對光線的限制。第二十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日例：有一個由三個光學零件組成的光組，透鏡O1,其口徑D1＝4mm．f’1=36mm，透鏡O2，其口徑D2＝12mm，f’2=15mm,二透鏡間隔195mm，在離透鏡O1右180mm處設有一光孔D3＝10mm，物點離透鏡Ol為-45mm．1）求孔徑光闌和入瞳出瞳的大小和位置?2)求視場光闌和入窗出窗的大小和位置？AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第二十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日解：光孔D3經(jīng)O1成像在O1左方與物點重合AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第三十頁，共九十九頁，2022年，8月28日透鏡O2經(jīng)O1成像

AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm第三十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（1）求孔徑光闌、入瞳、出瞳U1最小，故物鏡框O1是入瞳，也是孔徑光闌。它經(jīng)O2的像為出瞳。

第三十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日AO1O2D3180195F245D1=4mmD3=10mmD2=12mm（2）求視場光闌、入窗、出窗

故光孔O3為視場光闌，入窗與物平面重合，大小為2.5mm，出窗在無窮遠

ω3ω2第三十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日第二節(jié)照相系統(tǒng)中的光闌

一、照相機的三個組成部分

鏡頭、可變光闌（孔徑光闌）、感光底片/暗盒（視場光闌）第三十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日一、照相系統(tǒng)由三部分組成鏡頭：將外界景物成像在底片上。光闌：調(diào)節(jié)成像光束寬度從而調(diào)節(jié)光能量。底片架框：確定景物的成像范圍。照相機和光闌的作用第三十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日f/1f/1.4f/2f/2.8f/4f/5.6f/8f/11f/16f/22f/32f/45f/64第三十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日

★軸上物點：孔徑光闌在不同位置，對成像光束寬度的限制作用相同：都是光束的中間部分參與成像?！镙S外物點：孔徑光闌在不同位置，參與成像光束的空間位置不同，成像質(zhì)量不同?！S外光束決定孔徑光闌的位置假設：透鏡口徑足夠大M′N′MNA′A第三十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第三十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第三十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響孔徑光闌位置移動，對軸上成像光束并無影響。第四十頁，共九十九頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第四十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第四十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響第四十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日光闌位置對成像光束的影響孔徑光闌位置移動，對軸外成像光束有明顯影響。第四十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日1、漸暈現(xiàn)象：像平面的邊緣比中間暗（離軸物點）。二、漸暈光闌（Vignettingstop）

第四十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日漸暈光闌第四十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日漸暈光闌第四十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日漸暈光闌第四十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日漸暈光闌漸暈光闌第四十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日漸暈光闌

軸外物點充滿孔徑光闌的光束被部分地攔截，稱為“漸暈”。該光闌稱為“漸暈光闌”，漸暈光闌多為透鏡框。漸暈光闌的作用是參與限制軸外點成像光束。第五十頁，共九十九頁，2022年，8月28日漸暈光闌“漸暈系數(shù)”：第五十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日

三、照相系統(tǒng)的光闌總結(jié)3、感光底片邊框，即視場光闌；1、根據(jù)軸外光束的像質(zhì)選擇孔徑光闌位置；2、軸外點成像光束寬度取決于孔徑光闌、漸暈光闌均有關(guān)；4、孔徑光闌一般為圓形，視場光闌為圓形或者矩形。孔徑光闌在物鏡中的位置第五十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日

第三節(jié)望遠鏡系統(tǒng)中成像光束的選擇

一、雙目望遠鏡的組成

1、構(gòu)成轉(zhuǎn)像物鏡、目鏡的共同焦面上第五十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日2、光學參數(shù)★視覺放大率：★視場角：★物鏡焦距：★目鏡焦距：★出瞳直徑：★出瞳距離：望遠鏡系統(tǒng)簡化圖與人眼聯(lián)用,滿足光瞳銜接原則第五十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日★目視光學系統(tǒng)的視角放大率：遠處物體經(jīng)系統(tǒng)所成的像對眼睛張角的正切，與該物體直接對眼睛張角的正切之比。*概念區(qū)別：角放大率復習：第二章第五十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日3、分劃板——視場光闌分劃板位于物、目兩鏡的共同焦面上：入射窗、出射窗均在無窮遠處，分別與物、像面重合。望遠鏡系統(tǒng)簡化圖出瞳入瞳第五十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日hz物hz目hz分1）物鏡的左側(cè)10mm；2）物鏡上；3）物鏡右側(cè)10mm。2、孔徑光闌的位置：二、望遠鏡系統(tǒng)中的光束限制

1、光瞳銜接原則：

——前面系統(tǒng)的出瞳與后面系統(tǒng)的入瞳重合?！镒粉E主光線的投射高度第五十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日望遠鏡系統(tǒng)的光闌位置實際系統(tǒng)中，物鏡框前后10mm左右放置孔徑光闌；分劃板為視場光闌；孔徑光闌對目鏡成的像距即為出瞳距離lz>6mm第五十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日hz物hz目hz分1）光闌在物鏡的左側(cè)10mm（ω=4.25°）：

正切計算法第五十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日2）光闌在物鏡上：

正切計算法第六十頁，共九十九頁，2022年，8月28日3）光闌在物鏡右側(cè)10mm：

正切計算法第六十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日三、望遠鏡系統(tǒng)光束限制的總結(jié)1、兩光學系統(tǒng)聯(lián)用時，一般應滿足光瞳銜接原則；2、目視光學系統(tǒng)的出瞳一般在外，且不小于6mm；4、分劃板就是視場光闌。3、孔徑光闌大致在物鏡左右；

4、光闌位置對軸外光束位置的選擇(1)(1)(2)(3)(3)(2)第六十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日

第四節(jié)顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制和分析

一、簡單顯微鏡系統(tǒng)中的光束限制

1、顯微鏡系統(tǒng)的構(gòu)成第六十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日二、遠心光路

1、孔徑光闌在物鏡上(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準：2)由于調(diào)焦不精確，引起像平面和標尺平面不重合，從而導致測量誤差。1)入瞳與物鏡邊框重合；第六十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日2、孔徑光闌在物鏡的像方焦平面上1)入瞳位于物方無窮遠。A和A1、B和B1的主光線分別重合，且軸外點的主光線平行于主軸。3)主光線是物點成像光束的中心軸，則物點A1B1在刻尺平面構(gòu)成的兩個彌散斑的中心間隔始終不變。——

物方遠心光路

(a)測距原理：(b)調(diào)焦不準：第六十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日2023/2/2666CCD偏左CCD偏右沒有遠心鏡頭加上遠心鏡頭第六十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日三、場鏡的應用

缺點：出射主光線的投射太高，要求物鏡后面系統(tǒng)的口徑必須非常大。

-1×透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)：加長光路。1、長光路顯微鏡系統(tǒng)第六十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日

2、降低主光線，減小后續(xù)光路口徑的辦法-1×轉(zhuǎn)像系統(tǒng)★場鏡：與像平面重合、或者很靠近像平面的透鏡。

★效果：主光線經(jīng)場鏡后通過-1×轉(zhuǎn)像透鏡中心，從而對后面系統(tǒng)的口徑要求最小。場鏡起到使前后系統(tǒng)的光瞳銜接的作用?！飳嶋H設計：在-1×轉(zhuǎn)像透鏡前、物鏡的實像面處加場鏡。第六十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日2023/2/2669ABB＇A＇前組后組(a)AB后組前組場鏡這種和像平面重合，或很靠近像平面的透鏡稱為場鏡。第六十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日場鏡的應用第七十頁，共九十九頁，2022年，8月28日四、顯微鏡系統(tǒng)光束選擇的總結(jié)1、一般情況，孔徑光闌在顯微物鏡上；4、長光路顯微鏡系統(tǒng)：利用場鏡達到前后系統(tǒng)的光瞳銜接，減小光學零件尺寸。2、一次實像面處安放視場光闌；3、測長顯微鏡，孔徑光闌在顯微物鏡焦平面上

——物方遠心光路第七十一頁，共九十九頁，2022年，8月28日第五節(jié)光學系統(tǒng)的景深同一位置不同景深的效果第七十二頁，共九十九頁，2022年，8月28日一、光學系統(tǒng)的空間像1、平面上的空間像：空間點成像于一個像平面上。對準平面景像平面共軛第七十三頁，共九十九頁，2022年，8月28日

以入瞳中心為投影中心，以各空間點的主光線為投影方向，向?qū)势矫嫱队?，對應投影點在景象平面上的共軛點即為空間點的平面像?！锲矫嫔系目臻g像的獲得：★對準平面外的空間點，在景象平面產(chǎn)生一個彌散斑。彌散斑的直徑與入瞳直徑、與景象平面的距離有關(guān)。或：在像空間以出瞳中心為投影中心，仍以各空間點的主光線為投影方向，各空間像點向景象平面投影，可得空間點的平面像。第七十四頁，共九十九頁，2022年，8月28日2、透視失真——

投影中心前后移動，所得投影像與景物不成比例。

第七十五頁，共九十九頁，2022年，8月28日3、景像畸變

錐狀光束在景像平面上的投影隨光束軸線的傾角不同而變化,導致景象與景物不成比例的現(xiàn)象.球狀物體對應的所有主線形成錐狀光束,其共軛光束亦為錐狀光束.顯然,不同軸線傾角的錐狀光束在景像平面上投影(或截面)不同.由光軸至邊緣,投影由圓形變成橢圓形,且橢偏度逐漸增大.第七十六頁，共九十九頁，2022年，8月28日

二、光學系統(tǒng)的景深★成像空間的景深：在景象平面上所獲得的成清晰像的物空間深度。

遠景平面近景平面入瞳中心：物空間參數(shù)的起算原點出瞳中心：像空間參數(shù)的起算原點第七十七頁，共九十九頁，2022年，8月28日★對準平面的彌散斑直徑：★景像平面的彌散斑直徑：★由相似三角形得：兩個因素：觀測距離、極限分辨角第七十八頁，共九十九頁，2022年，8月28日★正確透視距離：觀察距離滿足照片上各點對人眼睛的張角，與直接觀察空間時各對應點對眼睛的張角相等。眼睛以下推導不考慮正負號以照相機為例，分析人眼看照片認為是清晰圖像的情況：第七十九頁，共九十九頁，2022年，8月28日★對準平面上對應彌散斑的允許值：★遠景、近景到對準平面的距離：★遠景、近景到入瞳的距離：★景像平面（照片）上彌散斑直徑的允許值第八十頁，共九十九頁，2022年，8月28日★總成像深度——景深★物方孔