ch4 光学系统的光束限制

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1、第四章光学系统的光束限制主讲人：仝卫国华北电力大学自动化系1主要内容实际光学系统不是理想光学系统，必须限制成像光束的宽度和成像范围，以保证成像质量。一、光学系统中的光阑及其作用二、入瞳和出瞳三、入射窗和出射窗四、光学系统的景深五、远心光路2一、光学系统中的光阑及其作用1.通光孔径：光学系统中，透镜的大小及其装夹它们的金属框内孔边缘就是限制光束的光孔，这些光孔对光学零件来说就称为通光孔径。实际光学系统的成像除满足物像共轭关系和放大率的要求外，还需要有一定的成像范围及分辨率（反映物像细节的能力），这都涉及合理限制进

2、入光学系统的成像光束宽度的问题。2.光阑：中间带圆孔的金属薄片，其中心与光轴重合，平面与光轴垂直；是安置在光学系统中用来限制成像光束宽度的器件。33.光阑的分类：1)孔径光阑：限制进入光学系统的成像光束口径的光阑。①孔径光阑对轴上点光束的限制；②孔径光阑对轴外点光束的限制。孔径光阑对成像光束的限制4合理选择孔径光阑的位置，可以改善轴外点的成像质量。合理选择孔径光阑的位置，可以减少光学系统零件的尺寸，使系统结构匀称。2)视场光阑：限制物平面和像平面成像范围的光阑。孔径光阑和视场光阑是光学系统的主要光阑，任何光学系

3、统都有这两种光阑。3)消杂光光阑：只限制非成像物体发出来光的光阑。杂光：非成像物体射出来的光，光学系统各折射面反射的光和仪器内壁反射的光等。杂光的危害：使像面产生明亮背景，降低图像的衬度。5二、入瞳和出瞳：1.入瞳：孔径光阑通过其前面光学系统所成的像；决定进入系统光束的大小，即物方孔径角的大小。在所有光孔中，入瞳对物面中心的张角最小。2.出瞳：孔径光阑通过它后面光学系统所成的像；决定从系统出射光束的大小，即物方孔径角的大小。在所有光孔中，出瞳对像面中心的张角最小。注意：入瞳、孔径光阑、出瞳三者相互共轭。6ABA

4、'B'Q1P2QP1Q2PP'1P'2P'-uu'入瞳、出瞳示意图7主光线：通过物点和入瞳中心的光线。边缘光线：通过物点和入瞳边缘的光线。注意：主光线是成像光束的中心，对成像起主要作用。3.渐晕：轴外点成像光束小于轴上点的成像光束的现象。表现：图像边缘部分比中心暗。8三、入射窗和出射窗：1.入射窗：视场光阑经前面光学系统在物空间所成的像。---限制物方视场的大小2.出射窗：视场光阑经后面光学系统在像空间所成的像。---限制像方视场的大小若把孔径光阑以外所有光孔通过其前面的光组成像，这些像中，入射窗对入瞳中心的张

5、角最小。同理，出射窗对出瞳中心的张角最小。注意：视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言，孔径光阑位置改变，视场光阑也会发生变化，被其它光孔所取代。视场：无限远用视场角表示2ω；有限远用物高表示2y。9四、光学系统的景深：1.光学系统的空间像：空间像：许多光学系统把空间的物点常在像平面上的像。对准平面：在物空间，与景象平面相共轭的平面。当光瞳有一定大小时，空间点发出的充满光瞳的光线，在像平面上成一弥散斑。101）光瞳对成像的影响：当入瞳减小时，弥散斑也随之减小，直至成点——清晰像。当入瞳位置发生变化时，景象也随之变化

6、——透视失真。112）视场对成像的影响：不同的视场，成像光束在像平面的投影形状不同，越靠近视场边缘这种现象越严重——景像失真。122.光学系统的景深：当景像平面上弥散斑足够小时，眼睛分辨不出——清晰像。1）景深：能在景象平面上获得清晰像的空间深度。近景：能成清晰像的最近平面。远景：能成清晰像的最远平面。2）景深的计算：近景深度：近景到对准平面的距离，记为Δ2。远景深度：近景到对准平面的距离，记为Δ1。所以，景深的计算机公式为：Δ＝Δ1＋Δ213由相似三角关系可得：所以，弥散斑的直径为：143）正确透视条件：应使

7、照片上的各像点对人眼的张角，与直接观察该空间物体时各点对人眼的张角相等，符合这一条件的观测距离称作正确透视距离。15景象平面上弥散斑对人眼的张角小于人眼极限分辨角时，可认为图像是清晰的。令，人眼的极限分辨角为ε，观察距离为正确透视距离D，则，弥散斑的允许直径为：则，可以计算出远景深度和近景深度，分别为：则，景深计算公式为：16若用孔径角U代替入瞳直径，则结论：1）远景深度一般大于近景深度；2）入瞳直径越小（孔径角越小），景深越大；3）景深随焦距增大而减小。傻瓜相机的原理：把物镜调焦于则，都可得到清晰像。17五、

8、远心光路物镜的实像面上放置标尺，当调焦不当时，会产生测量误差，如上图。将孔径光阑移至像方叫平面上，如下图所示，不存在测量误差。这个光路称为物方远心光路。特点：入瞳位于无穷远处。同理，在物方焦平面上设置一孔径光阑，形成像方远心光路。18