第四章 光学系统中的光阑和光束限制
第四章 光学系统中的光阑和光束限制
• • • • • §4.1 光阑 §4.2 照相系统中的光阑 §4.3 望远镜系统中成像光束限制 §4.4 显微镜系统中的光束限制与分析 §4.5 光学系统的景深
• 组成光学系统的所有零件都有一 定的尺寸大小 • 没有对光学零件的大小加以限制 • 实际的光学系统除了应满足前述的 物象共轭位置关系和成像放大率的 要求外，还要有一定的成像范围
光圈优先:指由机器自动测光系统计算出曝光量的值，然后根据你选定的光圈大小自 动决定用多少的快门。手动设置光圈值，由测光结果自动调整快门速度。
使用光圈优先模式的目的是，使用者可以自己控制景深。在风景摄影中，当使 用者希望近处和远处的画质都要清晰，而快门速度并不重要的时候，需要设定一 个较小的光圈值。在人物摄影中，相机使用者更希望一个较大的光圈值，使得人 物的背景失焦，用以强调人物主题而淡化背景。 使用光圈优先的另一个目的是让相机选择快门速度，以防止不恰当的曝光 时间。在风景摄影中，使用者当为瀑布拍照时，会选用较大的光圈值，也就是较 小的光圈配合较长快门时间，使得瀑布的水滴变得模糊。但当在较暗的灯光下摄 影时，一个较小的光圈值，也就是获得更大的光圈，使更多的光线进入镜头。
D
★出瞳直径： D'
5mm
★视觉放大率： 6
f物
f目
D
望远镜系统简化图
tan ★目视光学系统的视角放大率： tan 远处物体经系统所成的像对眼睛张角 的正切，与该
物体直接对眼睛张角的正切之比。
f1 tan *概念区别：角放大率 tan f 2
一个系统可以有0到2个渐晕光阑。
B1的成像光束不被拦，B2的成像光束主光线以下被拦， B3发出的光线只有一条通过，B3以下不能成像。
D 2、渐晕系数: K D
用渐晕系数表示渐晕严重的程度
想一想：①是否所有光学系统都要无渐晕？ ②渐晕光阑是否只有一个？
关于问题①： 当孔径和视场都较大时，无渐晕既无必要也不可能。因 为远离孔阑的透镜直径不能做得太大，且适当拦掉偏离 理想成像状态较远的即像差较大的轴外光束有利于改善 像质。 关于问题②： 单向拦光相当于孔阑位于光学系统之外。但孔阑在光学 系统内部时，可能有两个渐晕光阑，一个拦上光线，另 一个拦下光线。特别是全对称系统，必有两个渐晕光阑。
• 限制光束中偏离理想位置 的一些光线，用以改善系 统的成像质量 • 拦截系统中有害的杂散光。
• 光阑分为： • • •
孔径光阑 视场光阑 消杂光光阑 渐晕光阑
一、孔径光阑(Aperture Stops)
• 孔径光阑：它是限制轴上物点成像光束立 体角（锥角）的光阑。 • 也就是起到决定能通过光学系统的光（即 像平面照度）作用的光阑。
f2 f 2 f1 f1
f1 ' tan U 1 tan U f 2
F1 F2
F1 F2
f 2 2 ( ) f1
， ，
2
望远镜的三种放大率均 与物距无关，仅与二光 组的焦距有关
1

各放大率的关系保 持不变
f2 f 2 f1 f1
★ 含义2：孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成 像光束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保 证轴上物点成像光束的孔径角不变。
★含义3：孔径光阑的位置不同，则对应于选择轴外物点 发出光束的不同部分参与成像。
★ 孔径光阑的定义： 1）限制轴上物点成像光束孔径角的大小（宽度）； 2）选择轴外物点成像光束的位置。
§4-1 光阑
• 通常光学系统中用一些中心开孔的薄金 属片来合理地限制成像光束的宽度、位 置和成像范围。这些限制成像光束和成 像范围的薄金属片称为光阑。 • 如果光学系统中安放光阑的位置与光学 元件的某一面重合，则光学系统的边框 就是光阑
光阑在光学系统中的作用：
• 决定像面的照度。 • 决定系统的视场。
U1 arctg arctg D1 2l1
A 2 1
2′
B'
30 26.565 2 (30) D2 2(l1 l2 )
) U1 ) U 2
U 2 (
U 2 arctg arctg
B
A'
44 23.749 2 (30 20)
D2′的张角最小，最能限制轴上物点A的成像光束， 为入瞳，即光孔2为孔径光阑，U2为物方孔径角。 光孔2后面无透镜，孔径光阑与出瞳重合，U2′为像方 孔径角。
| | 1 物经望远镜成缩小像
(3)系统一定，则、、为定值，与物距l无关
望远镜系统中成像光束的选择
1、构成
物镜、目镜的 共同焦面上
转像
2、光学参数
' ★物镜焦距： f物 108mm
★目镜焦距：f目 18mm
l ★出瞳距离： z 11mm
★视场角： 2 8o30 与人眼联用, 满足光瞳衔接原则
f1 ' tan U 1 tan U f 2
f 2 2 ( ) f1
(1)一般f1 0，f 2可正可负。
f 2 0 成倒像，观察不便，但便于测量，必要时加倒像系统 f 2 0 成正像，用于观察，但无实像面，不能测量
(2)在 | f1 || f 2 | 时
三、照相系统的光阑总结
孔径光阑在物镜中的位置 1、根据轴外光束的像质选择孔径光阑位置； 2、轴外点成像光束宽度取决于孔径光阑、渐晕光阑均有关； 3、感光底片边框，即视场光阑； 4、孔径光阑一般为圆形，视场光阑为圆形或者矩形。
第三节 望远镜系统
H
f
F ，H ，f
轴外物点发出并充满入瞳的光束不一定能全部通过系统，还 可能受到远离孔阑的光孔的阻拦，这就是拦光。请观察，当 视场逐渐增大时，轴外点发出充满孔阑的光束被前后两个透 镜所拦，其中上光线被第2个透镜拦，下光线被第1个透镜拦。 轴外点的实际成像光束孔径要比轴上点小。
1、渐晕现象：像平面的边缘比中间暗（离轴物点）。
第二节
照相系统中的光阑
一、照相机的三个组成部分
镜头、可变光阑（孔径光阑）、感光底片（视场光阑）
光圈英文名称为Aperture，用来控制透过镜头进入机身内感光面的光量，是 相机一个极其重要的指标参数，通常在镜头内。它的大小决定着通过镜头进 入感光元件的光线的多少。表达光圈大小用F值，其中，F=镜头的焦距/镜头 的有效口径的直径。
3、分划板 —— 视场光阑
入 瞳
出瞳
Q1
L1
孔径光阑
Q1
L2
入瞳
Q1
B
A
Q
Q
Q2
Q
Q2
A
B
C
Q2
★ 理想光学系统：主光线必然通过入瞳及出瞳的中心。 ★ 主光线是通过孔径光阑、并参与成像的物光束的中心光线。 ★入瞳中心是所有主光线的交点。
二、视场光阑
1、视场光阑:
(Field Stops)
★物方视场：能够清晰成像的物面范围；
透镜焦距：l1 60, l1 30 f 20; 光孔关于透镜的像： l2 d 10, f 20，l2 20； 像的大小： D2 l2 D2 44mm D2 l2
A B A' 1 2
2′
B'
3）D1，D2'对轴上物点A的张角：
(3) 孔径光阑位置的安放原则： a. 目视光学系统，出瞳与人眼瞳孔衔接（光瞳衔接原则）； b. 投影计量光学系统，保证投影像的倍率不因物距变化,要 求系统的出瞳或入瞳位于无限远处； c. 对轴外光束像差校正； d. 各光学元件的口径匹配。
4、主光线（Chief ray）：
★定义：离轴物点发出的、通过孔径光阑中心的光线。
2、入射光瞳与出射光瞳(Entrance and Exit pupils)
★ Pupils： The image of the Aperture Stops ★入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像（物空间） ★出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）
照相机镜头中的孔径光阑
孔径光阑
物像关系
F
入瞳 前面 光学 系统 孔径光阑 后面 光学 系统 出瞳 整 个 光 学 系 统
F
孔径光阑
★ 孔径光阑、入瞳与出瞳 孔径
出瞳
Q1 L 1
光阑
入瞳
L2
Q1
Q1
B
y
A
y) UQ NhomakorabeaQ
Q2
U (
Q A
Q2
B
Q2
1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。 2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。 3）孔径光阑：实际起对光束限制作用的元件，决定了 入瞳、出瞳；三者互为物像关系。
光圈 F 值越小，通光孔径越大，在同一单位时间内的进光量便越多，而且上 一级的进光量刚好是下一级的两倍，例如光圈从F8调整到5.6 ，进光量便多一 倍，我们也说光圈开大了一级。对于消费型数码相机而言，光圈 F 值常常介 于 f2.8 - f11。
曝光:相机的感光元件在有限的时间（快门速度时间）内接受光， 并成像，这个过程叫做曝光。感光元件，胶片时代是指的胶片， 数码时代指的是感光元件CCD或CMOS。 曝光过度:指由于光圈开得过大、底片的感光度太高或曝光 时间过长所造成的影像失常。
★像方视场：相应的能够清晰成像的像面范围； ★定义：在物/像面上安放的、限定光学系统成像范围的光阑。
接收面或中间实像面上的分划板。
摄影系统：像面的大小决 定视场角2W的大小
望远镜：中间实像面上分划板的 大小决定视场角2W的大小
2、入射窗与出射窗
★入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间） ★出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间） 3、视场光阑、入射窗与出射窗三者互为物象关系。