工光光學系統的光束限制第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日本章內容漸暈光闌及場鏡的應用4概述1孔徑光闌2視場光闌3景深和遠心光路5第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/42設計時，光學系統對于要求成像范圍以內的物點，以要求的孔徑角光束成像。D和2u大，傳過的能量多，分辨率高2y大，成像范圍大理論上希望大些，但會引起像差，反而使像的質量差，因此要給予適當的限制透鏡的大小限制A點發出的光束孔徑角底片的大小限制成像范圍都是對光束的限制，稱光闌第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/431.光闌的定義：§5.1概述光學系統中，對光束起限制作用的光學元件稱為光闌。光闌一般都是垂直于光軸放置的，且其中心與光軸中心相重合2.光闌的形狀：光闌的形狀包含了圓形，正方形，長方形，有些光闌的尺寸大小是可以調節的。3.光闌的作用：光闌用于限制成像光束的大小光闌用于限制成像的范圍。第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/444.光闌的分類1.孔徑光闌光學系統中用于限制成像光束大小的光闌稱為孔徑光闌。描述成像光束大小的參量——孔徑。近距離物體成像——孔徑角限制軸上點成像光束中邊緣光線的最大傾角（孔徑角）。遠距離物體成像——孔徑高度限制平行入射的成像光束的最大高度。孔徑光闌的位置——隨系統而異有特定要求的，如目視光學系統，孔闌或孔闌的實像一定要在外面，眼睛能與之重合，以接受全部成像光束；遠心光學系統，孔闌在焦平面上。其他的，可以選擇，以改善成像質量。第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/452.視場光闌光學系統中用于限制成像范圍大小的光闌稱為視場光闌。描述成像范圍大小的參量——視場。限制物平面或物空間中多大范圍能被成像。近距離物體成像——物高遠距離物體成像——視場角

視場光闌的位置一般設在實像平面或中間實像平面上。有時也設置在物面上。第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/463.漸暈光闌光闌以減小軸外像差為目的，使物空間軸外點發出的、本來能通過孔徑光闌和視場光闌的成像光束只能部分通過，稱漸暈光闌。漸暈光闌的設置使得軸外物點通過系統的光束小于軸上物點，其主要目的是為了改善軸外點的成像質量或減小部分光學元件的橫向尺寸。4.消雜光光闌用于限制一些非成像光線的光闌稱為消雜光光闌。只對那些從視場外射入系統的光能和由鏡頭內部的光學表面、金屬表面及鏡筒內壁的反射和散射所產生的雜散光起部分限制作用。大型光學儀器，必須設置專門的消雜光光闌一般光學儀器，將鏡筒內部車成螺紋，并涂黑或作發黑處理來減少雜散光的影響。第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/47何為孔徑光闌要依當時的條件而定。物體位置變了，孔徑光闌可能會變。當物體位置一定時，有一個光孔最限制成像光束的寬（角）度——孔徑光闌一個光學系統有若干個透光孔，何為孔徑光闌——限制成像光束的最大光束的光孔錯誤觀點1：第一個光孔是孔徑光闌錯誤觀點2：光孔小的是孔徑光闌假設同在物空間有三個光孔？§5.2孔徑光闌第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/48怎樣找？應使所有光孔處于同一空間判斷孔徑光闌的步驟：（1）首先求出所有通光闌在系統物方的共軛“像”（位置和大小）。即對每一光闌，按從右到左，被其左方的光學系統成像，得到所有光闌在物方空間的共軛“像”。（2）確定這些共軛“像”在物方的光束孔徑角（當物在無限遠時，確定所允許的光束高度），即計算給定的軸上物點對各光闌在物方的共軛“像”邊緣的張角。（3）比較得出其中最小的孔徑角（物在無限遠時為最小的孔徑高度）所對應的光闌，該器件即為所求的孔徑光闌。第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/49第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/410第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/411第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/412入射光瞳和出射光瞳孔徑光闌在光學系統的物空間的共軛像稱為入射光瞳，簡稱入瞳；孔徑光闌在光學系統的像空間的共軛像稱為出射光瞳，簡稱出瞳；孔徑光闌、入瞳、出瞳三者互為共軛關系，它們對成像光束的限制作用是等價的。第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/413入瞳孔闌出瞳孔闌前的光學系統共軛孔闌后的光學系統共軛共軛入射光瞳出射光瞳物方孔徑角像方孔徑角入瞳和出瞳的圖解法第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/414入射光瞳出射光瞳物方孔徑角像方孔徑角通過入瞳中心的光線必通過孔闌中心，并過出瞳中心。通過入瞳邊緣的光線必通過孔闌邊緣，并過出瞳邊緣。物方孔徑角2U，像方孔徑角為2U'，2U最小，2U'也必最小。入瞳是物面上所有各點發出的光束的共同入口；出瞳是物面上各點發出光束經整個光學系統以后從最后一個光孔出射的共同出口。第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/415孔徑光闌或入瞳或出瞳的位置在一些光學系統中有特殊要求。如顯微鏡、望遠鏡等目視光學系統中，要求出瞳與人眼的入瞳重合，處于目視光學系統以外；遠心光路則要求出瞳處于焦點，以減小測量誤差等。物點與入瞳中心的連線稱主光線。主光線也通過孔闌和出瞳的中心。主光線和光軸的夾角稱為視場角w。

入射光瞳出射光瞳物方孔徑角像方孔徑角第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/416視場光闌在光學系統中起著限制成像范圍（或稱視場大小）的作用。一般情況下，視場光闌多設置在像面或物面上，有時也設在系統成像過程中的某個中間實像面上。物或像的大小直接受視場光闌口徑的限制，視場光闌口徑以外的部分將被阻擋而不能成像，系統成像的范圍有著非常清晰的邊界。視場光闌的大小通常由光學系統的設計要求來決定。§5.3視場光闌第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/417視場光闌在光學系統的物空間的共軛像稱為入射窗，簡稱入窗；視場光闌在光學系統的像空間的共軛像稱為出射窗，簡稱出窗；視場光闌、入窗、出窗三者互為共軛關系，它們對視場的限制作用是等價的。入射窗和出射窗第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/418視場范圍的計算第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/419漸暈的概念及漸暈系數由軸外物點發出并充滿入瞳的光束，有一部分光被系統后面的光闌阻擋而不能到達像面，這種使軸外物點光束被限制的現象稱為漸暈。當視場光闌與物面或像面不重合時，視場必然產生漸暈。光孔離孔闌越遠越易引起漸暈第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/420第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/421漸暈系數面漸暈系數=軸外點光束在入瞳上的截面積／入瞳面積線漸暈系數=軸外點光束在入瞳上的高度／入瞳直徑用什么來描述漸暈嚴重程度第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/422KD=1，這以內是無漸暈成像范圍，充滿入瞳的光全通過，像面照度均勻KD=0.5，恰使主光線通過，半漸暈KD=0，最大成像范圍第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/423第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/424討論：當孔闌變小時，被攔的光線增多，軸外點能通過的光能減少。當孔闌大小→0時，物面上所有點只有一條主光線通過。第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/425當一個光學系統無視場光闌時：將所有光孔投射到第一個光孔的物空間時，對入瞳中心張角最小的那個光孔“像”所共軛的光孔稱漸暈光闌；將所有光孔投射到最后一個光孔的像空間，對出瞳中心張角最小的那個光孔“像”所共軛的光孔稱漸暈光闌；當孔徑光闌無限小時，漸暈光闌直接限制了成像范圍，因此過去也稱其為“視場光闌”，稱其像為“入射窗”、“出射窗”。當一個光學系統有視場光闌時：也可能有漸暈光闌，此時漸暈光闌起攔光作用。為什么叫漸暈光闌因為它所限制的視場邊界是不清晰的第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/426兩個問題是否所有光學系統都要無漸暈當孔徑和視場都較大時，無漸暈既無必要也不可能。因為遠離孔闌的透鏡直徑不能做得太大，且適當攔掉偏離理想成像狀態較遠的即像差較大的軸外光束有利于改善像質。故常有適當漸暈。一般允許50%，必要時30%。漸暈光闌是否只有一個漸暈光闌的像在入瞳后，攔上光線漸暈光闌的像在入瞳前，攔下光線以上是單向攔光，相當于孔闌位于光學系統之外。但孔闌在光學系統內部時，可能有兩個漸暈光闌，一個攔上光線，另一個攔下光線。特別是全對稱系統，必有兩個漸暈光闌。§5.4漸暈光闌及場鏡的應用第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/427第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/428第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/429第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/430第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/431有的光學系統不允許有漸暈，又不希望透鏡有過大的口徑，通常采用場鏡來實現這一目的。場鏡就是在系統的中間像面或其附近加入的正透鏡，場鏡能夠改變成像光束的位置，而不影響系統的光學特性。無限遠物體經物鏡所成的像要恰好落在場鏡的物方主面上，通過場鏡所成的像在場鏡的像方主面上，大小相等，所以場鏡的加入不影響系統的光學特性，但場鏡對軸外物點的光線產生作用，降低了它們射向目鏡時的高度，由此，目鏡的口徑可以因此而變小。第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/432某些光學系統要求部分空間或整個空間成像于一個像面上，這可能嗎？§5.5景深和遠心光路第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/433某些光學系統要求部分空間或整個空間成像于一個像面上，這可能嗎？為什么看照片時無立體感，遠近皆清楚？理論上，只有共軛的物平面才能在像平面上成清晰像，其他物點所成的像均為彌散斑。但當此斑對眼睛的張角小于眼睛的最小分辨角1'時，人眼看起來仍為一點。此時，該彌散斑可認為是空間點在平面上的像。入瞳出瞳§5.5景深和遠心光路第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/434對準平面遠景平面近景平面景像平面遠景深近景深第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/435遠心光學系統遠心光學系統——孔闌設于焦平面上物方遠心光路——孔闌與F'重合，入瞳位于物方無窮遠，物方主光線平行于光軸。像方遠心光路——孔闌與F重合，出瞳位于像方無窮遠，像方主光線平行于光軸。第三十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日2023/2/436測量用光學系統——測AB長度A'B'hhA1B1A1'B1'B'A'A1'B1'若調焦于A1B1，將在分劃板上得彌散斑，量得的長度h比A'B'略長。AB分劃板A1B1AB分劃板像面與分劃板不重合的現象——視