孔径光阑
2、入射光瞳和出射光瞳
P''1
P'1
B
-U
A
P''
P1
Q1
U'
O1
P O2
P'
P2
Q2
P''2
出射光瞳
孔径光阑
P'2
入射光瞳
P1P2孔径光阑经 后方光学系统 所成的像 P‘1P’2 称为出射光瞳， 简称出瞳，出 瞳边缘对物点A 的张角称为像 方孔径角2U’．
当孔径光阑后 方无光学系统， 则孔径光阑就 是出瞳。
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
孔径光阑位置移动，对轴外成像光束有明显影响。
常见照相系统的光阑位置
渐晕光阑
渐晕光阑
渐晕光阑
渐晕光阑
渐晕光阑
渐晕光阑
渐晕光阑
轴外物点充满孔径光阑的光束被部分地拦截，称为 “渐晕”。该光阑称为“渐晕光阑”，渐晕光阑多为 透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制轴外点成像光束。
物方远心光路
光学仪器中的很大部分仪器用来测量长度。 有一类光学仪器要求以“恒定放大率” 使被测物之 像与一刻尺相比，以求得一被测物之长度。
按工具显微镜的工作台的大 小和可移动的距离、测量精 度的高低以及测量范围的宽 窄，一般分为小型，大型和 万能型及重型。它们的测量 精度和测量范围不同，但基 本结构、测量方法大致相同
p1

2ap 2a Z1
p2

2ap 2a Z2
Δ1

p1

p

pZ1 2a Z1
Δ2

p
p2

pZ2 2a Z2
人眼极限 分辨角
通常容许弥散圆可表示为： Z1 Z2 Z p
远景深 近景深 景深
Δ1

p1
p

p 2 2a p
Δ2

p
p2

p 2 2a p
p2 p
P1
光圈值发生变化
Z'
焦深
Z'
焦 深
对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大
B1
Z1
2a
Z2
B2
1
2
p2 p
p1
p'1 p' p'2
Z1

2a
p1 p1
p
Z2

2a
p
p2 p2
由相似三角形关系可得
Z1

2a
p1 p1
p
Z2

2a
p
p2 p2
远近点 远景深 近景深
工程光学基础教程
第4章 光学系统中的光束限制
光阑 照相系统中的光阑 望远系统中成像光束的选择 显微镜系统中的光束限制与分析 光学系统的景深
本章重点
孔径光阑、视场光阑的确定方法 远心光路 景深
孔径光阑
1、孔径光阑的定义与作用 限制轴上物点光束大小的光孔，也称为“有效光阑” P1P2是孔径光阑,主要用于控制成像面的光能！
入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 2 ，同
时也决定了视场边缘点。视场光阑经后面光学零件所 成的像即为出射窗，出射窗对出瞳中心的张角即为像 方视场角 2' 。 视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。
孔径光阑为无限小时，物面范围由入窗边缘与入瞳中 心连线决定。
入 射 窗
A
O'2
ω
出孔 射径 光光 瞳阑
大小和位置？
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
O1
F2
O2
45
180
195
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
O1
F2
O2
45
180
195
解：光孔D3经O1成像
l'3

l3 f l3
'1 f '1

180 180
36 36

45mm
在O1左方与物点重合
12

2.72 mm
A
D1=4mm D3=10mm D3 D2=12mm
O1
F2
O2
45
180
195
（1）求孔径光阑、入瞳、出瞳
2 tgU1 45 0.044
tgU 2

2.72 / 2 45 44.15
1.6
2.5 / 2 tgU3 0
U1最小，故物镜框O1是入瞳，也是孔径光阑。它经 O2的像为出瞳。
U'
P'
Q2
Q'1Q'2为入射窗; Q1Q2 本 身 也 为 出射窗。
通常设置在系统
的实像平面或物
P'2
平面
入射光瞳
确定视场光阑的方法： (1)把孔径光阑以外的所有光孔经前面的光学系统成 像到物空间，确定入瞳中心位置 (实际上在确定孔径 光阑时这一步骤已完成)。
(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最 小者即为入射窗，入射窗对应的光学零件视场光阑.
经纬仪
像方远心光路
这种情况如果孔径光阑仍为物镜框，由于调焦不准， 标尺的像不与分划板刻线平面重合，使读数产生误 差而影响测量精度。
像方远心光路
为消除或减小这种误差，可以在物镜的物方焦平面 上设置一个孔径光阑。
因为这种光学系统的像方主光线平行于光轴，其 会聚中心在像方无限远处，故称为像方远心光路。
B
-U
A
P1
O1
P O2
P2
U' A’
B射光瞳
主光线
B
-U
A
P1
O2
O1
P
P2
孔径光阑
P'1
Q1
U'
P' Q2
P'2
P1P2孔径光阑经 前方光学系统 所成的像 P'1P'2 称为入射光瞳， 简称入瞳，入 瞳边缘对物点A 的张角称为物 方孔径角2U．
当孔径光阑前 方无光学系统， 则孔径光阑就 是入瞳。
照相系统中的光阑
照相系统组成
f/1 f/1.4 f/2 f/2.8 f/4 f/5.6 f/8 f/11 f/16 f/22 f/32 f/45 f/64
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
光阑位置对成像光束的影响
孔径光阑位置移动，对轴上成像光束并无影响。
光阑位置对成像光束的影响
望远镜系统的光阑位置
实际系统中，物镜框前后10mm左右放置孔径光阑；分 划板为视场光阑；孔径光阑对目镜成的像距即为出瞳 距离lz>6mm
照相系统中的光阑
简单显微系统中的光束限制
远心光路
物方远心光路 像方远心光路
物方远心光路
光学仪器中的很大部分仪器用来测量长度。 有一类光学仪器要求以“恒定放大率” 使被测物之 像与一刻尺相比，以求得一被测物之长度。
解决的方法：在物镜的成像面位置放置一个薄透镜。
场镜的应用
场镜的应用
加入薄透镜不会改变原成像系统的特性。 加入薄透镜也不会改变轴上点光束的行进走向。
这种与像面重合或紧靠像面的薄透镜称为场镜。
场镜具有可以辅助延长光学系统长度且 不增大后续透镜的孔径的功能！
光学系统的景深
前面讨论的只是在垂直于光轴的平面上点的成像问 题，属于这种情况的光学系统有照相制版物镜，电影 放映物镜等。实际上，有很多仪器需要把空间中的物 点成像在一个像面上，如望远镜和照相机等。这就存 在着空间物在平面上成像的清晰度问题。
入瞳的大小是由光学系统对成像光能的要求或者 对物体细节的分辨能力(分辨率)的要求来确定的。常 以入瞳直径和焦距之比值来表示，D / f ' 称为相对孔径， 它是光学系统的一个重要的性能指标。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题 孔径光阑的安放要遵循一定原则。
对于目视光学系统，出瞳必须在目镜外，便于与 其衔接。 在投影计量光学中，要求入瞳或出瞳位于无穷远。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题
O'2 A
孔径光阑的确定方法
P'1
P1
O1
O2 P'
F'1
P2
P'2
首先，将系统中所有零件的光孔成像到物空间， 用计算方法确定其位置和大小 。
第二步，由物面中心A点对各个像的边缘引直线，入 射光瞳是其中张角最小者，对应的物为孔径光阑。
孔径光阑
3、关于孔径光阑需要注意的几个问题

0.0278
tg 2

6 195

0.0307
故光孔O3为视场光阑，入窗与物平面重合，大 小为2.5mm，出窗在无穷远
作业 B
F1 F2
O'4
A F1
O1
O3
O2
A' F'2 O4
B'
如 图 所 示 ， 有 一 光 学 透 镜 组 O1,O2 的 口 径 D1=D2=50mm,焦距f’1=f’2=150,两透镜间距为300mm, 并 在 中 间 置 以 光 孔 O3, 口 径 D3=20mm, 透 镜 O2 右 侧 150mm出置一光孔O4,孔径D4=40mm,平面物体处于 透镜O1左侧150mm处。1）求孔径光阑和入瞳出瞳 的大小和位置？2）求视场光阑和入窗出窗的大小和 位置？
工具显微镜
孔径光阑为物镜镜框的情况
孔径光阑移至物镜镜框后焦平面出的情况