光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課因為每個光學零件都有一定的大小，能夠進入系統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中成像光束的位置和大小。光學系統中成像光束的選擇光學系統除了物象共軛，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的能力(分辨率，由衍射理論知與孔徑成正比的)。同時也要限制光束的(原因)光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課孔徑角一.名詞視場成像范圍通光孔徑光學系統中，裝夾透鏡和其他零件的金屬框的內孔邊緣。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課二.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：在光學系統中，裝夾透鏡和其他零件的金屬框的內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。光闌光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課三.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。在有些光學系統中是有特定要求的。它決定軸上點發出的平面光束的孔徑角。M1N1光闌光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課(1)在目視光學系統中，光闌或者光闌的像一定要在光學系統的外邊，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量。12M1M2N1N2光闌光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課當光闌位置改變時，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，在保證成像質量的前提下，可以使整個光學系統的尺寸減少，系統的結構均稱。12M1M2N1N2光闌光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課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系統中最重要的光闌，任何系統都有這兩種光闌的。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，儀器內壁反射的光等。(1)雜光(2)其危害：使像面產生明亮的背景，降低像的襯度非成像的光，來自反射面反射的光，儀器內壁反射的光等。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課(4)當然也只是一些重要的光學系統，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)一般的系統僅僅使用其鏡管內壁加工成內螺紋，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光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課光學系統的孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳光學系統中總有一個光孔是限制光束的大小的。看下圖：入射光瞳出射光瞳孔徑光闌-U光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課說明(1)孔徑光闌通過其前面的透鏡成像到物空間去，入射光瞳(入瞳)(2)孔徑光闌通過其后面的透鏡成像到像空間去，出射光瞳(出瞳)入瞳實際上限制著光學系統的物方孔徑角U出瞳實際上限制著光學系統的像方孔徑角(4)入射光瞳和出射光瞳對于整個光學系統是共軛的，即：入射光瞳通過整個系統所成的像就是出射光瞳。(3)入瞳位于物空間的；出瞳位于像空間的。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課入射光瞳出射光瞳孔徑光闌-U物像中間像物(入射光瞳)經過透鏡成像為孔徑光闌經過透鏡成像為像(出射光瞳)光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課入射光瞳出射光瞳孔徑光闌-U物像中間像物(出射光瞳)經過透鏡成像為孔徑光闌經過透鏡成像為像(入射光瞳)光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課(5)將光學系統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光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課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。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課(6)光學系統的孔徑光闌只是對一定位置的物體而言的。如果物體的位置發生變化，原來限制光束的孔徑光闌將有可能失去限制光束的作用。孔徑光闌出射光瞳入射光瞳AB對于無限遠的物體，透鏡將是限制光束的。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課孔徑光闌出射光瞳入射光瞳(7)在大多數情況下，軸外點發出并充滿入射光瞳的光束，會被某些透鏡遮攔的。AB光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課(8)這種軸外光束被部分攔截的現象漸暈顯然物點離光軸愈遠，漸暈愈大。其成像的孔徑角也比軸上點成像光束的孔徑角小得多。漸暈的原因：軸外點的成像光束小于軸上點的成像光束。漸暈的危害：使得像面邊緣的光照度相對于中心有所下降的。漸暈系數：軸外點成像光束與軸上點成像光束在光瞳面上的線度之比值。(9)對于無限遠的物體而言，光學系統的所有光孔被其前面的光學零件在物空間所成的像中，直徑最小的一個光孔像就是系統的入射光瞳，能進入系統成像的光束直徑就等于入射光瞳的直徑。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課孔徑光闌出射光瞳入射光瞳AB這個系統對于無限遠的物體而言，是入射光瞳，也就是孔徑光闌。當然被其后面零件所成的像就是出射光瞳。(10)通過入射光瞳中心的光線主光線。對于理想光學系統，由于共軛關系，主光線也必然通過孔徑光闌中心和出射光瞳中心。顯然，主光線是各個物點發出的成像光束的光束軸線。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課光學系統的視場光闌，入射窗和出射窗光學系統的成像光束的孔徑角，是由孔徑光闌加以限制的。視場光闌當入射光瞳（孔徑光闌）無限小時限制成像范圍的光闌一.視場光闌光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課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點以內的物點可以被系統成像。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光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課說明(1)視場光闌通過其前面的透鏡成像到物空間去，入射窗(2)視場光闌通過其后面的透鏡成像到像空間去，出射窗(4)入射窗和出射窗對于整個光學系統是共軛的，即：入射窗通過整個系統所成的像就是出射窗。(3)入射窗位于物空間的；出射窗位于像空間的。入射窗限制了物方視場。出射窗限制了像方視場。(5)將光學系統中除了孔徑光闌以外的光學零件的通光孔，分別通過其前面的光學零件成像到整個系統的物空間去，入射窗必然是其中對入瞳中心的張角為最小的一個。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課同樣出射窗必然是其中對出瞳中心的張角為最小的一個。(7)視場的表示方法當物體位于無限遠時，用視場角表示。當物體位于有限遠時，用物體的高度表示視場，稱為線視場。A(6)入射窗，視場光闌，出射窗在各自的空間對同一條主光線起限制作用。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課(8)視場光闌是對一定的孔徑光闌而言的，當孔徑光闌位置改變時，原來的視場光闌將可能被另外的光孔所代替。孔徑光闌出射光瞳入射光瞳A視場光闌B光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課(9)入射光瞳為有限大時，此時入射窗并不能完全決定光學系統的成像范圍入射窗入射光瞳AB2當入射光瞳無限小時可見其成像范圍僅僅由入射窗的大小決定了，即：光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課當入射光瞳為有限小時入射窗入射光瞳AB1B2B3點的光線中就僅僅有主光線以上的光線才可以成像的。點的光線中就僅僅有最上面的一條光線才可以成像的。充滿入射光瞳中最下面的一條光線充滿入射光瞳中的主光線充滿入射光瞳中最上面的一條光線點的光線中所有光線都可以成像的。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課入射窗入射光瞳AB1B2B3

點發出的可以成像的光線在入射光瞳上的成像光束截面充滿入射光瞳上的成像光束截面可見區間的物點成像沒有漸暈的。

點發出的可以真正成像的光線光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課入射窗入射光瞳AB2

點發出的可以成像的光線在入射光瞳上的成像光束截面充滿入射光瞳上的成像光束截面可見區間的物點成像存在漸暈的。B1

點發出的可以真正成像的光線光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課入射窗入射光瞳AB3可見區間的物點成像存在漸暈的。B2

點發出的可以成像的光線在入射光瞳上的成像光束截面

點發出的可以真正成像的光線(一條)光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課望遠系統中成像光束的選擇成像光束的限制會影響像面上光能的分布；系統中各個光學零件尺寸和整個儀器的大小。一.雙目望遠鏡物鏡棱鏡組分劃板目鏡性能參數光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課1.系統各個零件尺寸的確定望遠鏡視放大倍率由圖可見：對于軸向光束，物鏡的口徑最大。每個零件的口徑不得小于對應的軸向光束的口徑。由于儀器總有一定的視場要求，所以還需要參考視場角來確定合理的零件尺寸。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課由圖可見：盡管視場角一樣，但對系統中各個零件的通光口徑卻不相同的。由圖可見：不僅僅與視場角的大小有關，還與入射光束位置有關的。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課在分劃板上成理想象的高度為：分劃板的直徑為：物鏡口徑要求大于棱鏡和目鏡的口徑要求的大。鑒于以上的情況，實際中通常選用對于軸向光束來說：物鏡口徑一樣棱鏡和目鏡的口徑要求的大。分析分析光闌分劃板限制了成像的大小，它是視場光闌。物鏡的口徑限制了成像光束的口徑，它是孔徑光闌。其他尺寸的確定光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課孔徑光闌，入瞳出瞳不同視場角成像的斜光束必須通過孔徑光闌，當然出射的光束也必然通過出瞳。為了使人眼睛能夠看到整個視場，當然就必須將眼睛放在出瞳附近了。不能太短，否則眼睛沒有辦法放在出瞳的位置的，同時眼睫毛不能碰到玻璃表面影響觀察，則軍用的光學儀器中對于出瞳的距離一般為左右光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課顯微系統中的光束限制和遠心光路孔徑光闌視場光闌說明(1)一般情況下，系統中成像光束的口徑由物鏡框限制，所以孔徑光闌。物鏡框(2)位于目鏡物方焦距上的分劃板或者光闌限制了系統的成像范圍，視場光闌。一.顯微系統中的光束限制光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課(3)顯微鏡中，成像范圍不用視場角表示的，直接用成像物體的最大尺寸表示的。一般顯微鏡視場光闌的直徑為20mm

由放大率如果可見：可以觀察的物體可以很微小的。(4)數值孔徑顯微鏡中物鏡成像光束的大小，一般用軸上點光束的孔徑角表示的。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課數值孔徑光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課數值孔徑增大數值孔徑的方法增大物方孔徑角增大物方介質的折射率(浸液物鏡)增大數值孔徑可以提高顯微鏡的視放大率。(4)對于某些測量顯微鏡中，在物鏡的像方焦平面上加入一個光闌作為系統的孔徑光闌，的誤差所引起的測量誤差。以消除由于像平面位置光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課結果：一樣的物體高度卻使測量的結果不同，當然測量計算得到的物體高度就有差別了。

這個高度測量的是像的彌散斑的中心孔徑光闌該結構成像特點：入射光束的主光線都和光軸平行。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課二.遠心光路在光學儀器中，有很大的一部分儀器用來測量長度的。分為1.光學系統有一定的放大率，使被測量之象和一標尺相比，求知被測物體的長度。2.把標尺放在不同的位置，光學系統改變放大率，使標尺象等于一個已知值，求得儀器到標尺間距離。例如：計量儀器，工具顯微鏡例如：大地測量儀器光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課1.計量儀器分劃板分劃板上刻尺的格值考慮了物鏡的放大率，直接讀值即可。減少視差對測量精度的影響的方法：被測量物體的象和帶有刻尺的分劃板由于眼睛的視差而不能完全重合，就帶來了測量誤差。適當的控制主光線的方向。將孔徑光闌設在物鏡的像方焦平面上即可。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課孔徑光闌當被測量物體的位置變化時，其的主光線總是平行光軸的，當然在分劃板上的交點是不會改變的。這樣即使調焦不準也不會影響測量結果的。因為這種光學系統物方主光線平行于光軸，主光線的會聚中心位于物方無限遠處物方遠心光路。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課2.大地測量儀器被測量物體的象和帶有刻尺的分劃板由于眼睛的視差而不能完全重合，就帶來了測量誤差。求得的被測量物體距離為：光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課減少視差對測量精度的影響的方法：適當的控制主光線的方向。將孔徑光闌設在物鏡的孔徑光闌因為這種光學系統像方主光線平行于光軸，主光線的會聚中心位于像方無限遠處像方遠心光路。物方焦平面上即可。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課結論(1)對于某些測量顯微鏡中，在物鏡的像方焦平面上加入一個光闌作為系統的孔徑光闌，的誤差所引起的測量誤差。以消除由于像平面位置(2)對于大地測量物鏡中，在物鏡的物方焦平面處加以個光闌系統的孔徑光闌。所引起的測量誤差。以消除由于像平面位置的誤差光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課場鏡的特性及其應用

可以減少目鏡的口徑場鏡光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課說明(1)場鏡能夠改變成像光束的位置，而不影響系統的光學特性。位于像平面或者和像平面重合或者與像平面靠的很近的透鏡。(2)場鏡的特性(3)場鏡經常被使用在連續成像的組合系統中。因為其前面的光學零件所成的像正好位于場鏡的主平面，通過場鏡后所成的像和原來像的大小相等。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課第一個透鏡出射的光束全部進入第二個透鏡，且第二個透鏡的口徑也不至于太大。(3)確定場鏡的焦距光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課空間物體成像的清晰深度──景深前面討論的只是在垂直于光軸的平面上點的成像問題。但常常有很多儀器需要把空間中的物點成像在一個像平面上。而物空間中的物點分布在距光學系統入射光瞳不同的距離處。這些物點的像原則上不與平面物體的成像相同。例如：望遠鏡，照相物鏡如何使“距光學系統入射光瞳不同的距離處”的物點在同一個像平面上成清晰的像(觀察儀器可以辨別清楚的。因為任何的光能接受器例如：眼睛，感光乳劑等都是不完善的)的問題就是景深一.彌散斑的形成以及影響彌散斑大小的因素光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課入射光瞳出射光瞳B1B2B3B4B1*B2*B3*B4*景象平面對準平面當光瞳有一定的大小時，所有位于對準平面以外的空間點，以充滿入射光瞳的光束與對準平面相交為“彌散斑”aba*b*光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課說明：(1)可見：“彌散斑”的大小會隨入射光瞳直徑大小而改變的。(2)入射光瞳直徑減小，彌散斑也隨之減小。入射光瞳出射光瞳B1B1*景象平面對準平面aba*b*(3)當然，當入瞳位置對于物方空間點(景物)位置發生變化，則景象也隨之變化.光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課景象平面對準平面B1B2B1*B2*景象平面對準平面B1B2B1*(B2*)入射光瞳出射光瞳入射光瞳出射光瞳光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課入射光瞳出射光瞳B1B2B1*B2*景象平面對準平面aba*b*AA*(4)顯然像平面上的彌散斑的大小還與空間點距對準平面的距離有關。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課(5)當入射光瞳直徑的大小一定時，彌散斑可以看成一個“點”。因為任何的光能接受器例如：眼睛，感光乳劑等都是不完善的。以下的問題是：當入射光瞳一定時，在物空間有多大的深度范圍的物體可以在景象平面上能成“清晰像”二.名詞景深能在景象平面(像平面)上獲得清晰象的物空間深度。遠景近景成清晰象的最遠象平面。成清晰象的最近象平面。遠景深度遠景在物空間的共軛面距離對準平面的距離。近景深度近景在物空間的共軛面距離對準平面的距離。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課入射光瞳出射光瞳B1B2景象平面對準平面AZ1Z2△1△2D二.彌散斑的大小與各個參量的關系光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課由相似三角形關系可得可見:景象平面(像平面)上的彌散斑的大小與光瞳的直徑有關外,還和由物像關系可以得到光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課當然彌散斑的直徑的允許值為多少,要隨觀察的光學系統的用途而定的,同時與眼睛到像的距離有關的。例如：照相物鏡只要照片上各點的彌散斑對人眼的張角小于人眼最小分辨角，則感覺像就是一個點，可以認為圖象是清晰的。當然這個彌散斑大小與眼睛到像的距離有關的。二.正確透視距離L要求:像上各點對眼睛的張角與直接觀察空間時對應點對眼睛的張角相等。眼睛距離景象平面的距離保證觀察到的景象不歪曲一個正確觀察圖象的距離。光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課入射光瞳出射光瞳景象平面對準平面ALDRByωω-U光學系統中成像光束的選擇----光闌-應用光學第六,七次課彌散斑的直徑的允許值為對應于對準平面上彌散斑的允許值為ω對人眼睛來說就對應著人眼睛的最小分辨角ε三.一定彌散斑的大小所對應的景深范圍由