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第五章 光学系统的光束限制5.1 光学系统中的孔径光阑、入射光瞳与出射光瞳5.2 视场光阑、窗与渐晕5.3 光学系统的景深第五章 光学系统的光束限制5.1 光学系统中的孔径光阑、入射光瞳与出射光瞳5.2 视场光阑、窗与渐晕5.3 光学系统的景深 物像共轭 对于任何物都能给出一定倍率的像 物精细 像 精细实际光学系统理想光学系统实际光学系统 成像光束有一定宽度 成像物体有一定大小 不同光学设计对成像光束位置和宽度的要求是不同的。 典型光学系统中如何通过光束限制来选择成像光束什么是光阑光阑：在光学系统中限制成像光束口径、或者限制成像范围的光孔或框等光学零件称作“光阑”。光学系统中光学元件的边框就是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(shutter，快门)。固定大小位置专用光阑等，如防杂散光光阑（照相机前遮光罩）。光阑作用实际光学系统中通过设置光阑对光束加以限制，它对光学系统的几何和物理性质将产生重大影响。表现为：(1) 影响通过光学系统出射的光束结构， 从而影响光学系统（不考虑衍射效应）的几何像差。即利用光阑隔离掉偏离理想光路严重的那一部分光束， 以改善成像质量。(2) 影响光的衍射效应，这种衍射性质即使在没有像差时也将使物点的像发生畸变。(3) 光阑决定光束截面、进而决定了能通过光学系统的光能量，也就决定了光学系统在屏、底片或眼网膜上产生的照度。(4) 影响与入射光束孔径有关的成像空间深度以及分辨本领。光束限制的共轭原理 若任意入射线PM与DD的边框部分相交，其共轭出射线必被DD阻挡；同理，另一入射线PN能“通过”DD，其共轭出射线必能通过DD。同理一条光线如果被某一光学元件限制，则该光线的共轭出射光线也一定会受到该元件的共轭像限制。DDMN PPMNDDP结论：光阑（或其像）对入射光束的限制与光阑的像（或光阑）对其共轭出射光束的限制，两者完全等价。实际中，我们判断入射光线是否被某光线元件限制，往往用某器件在物方的像来比较。 P′-uu′光阑分类孔径光阑（入瞳、出瞳）视场光阑（入窗、出窗）渐晕光阑光阑消杂光光阑控制像差光阑其他光阑（如光学信息处理光路用）孔径光阑定义：用来限制进入光学系统的成像光束大小的光阑，被称为孔径光阑。光孔大小可变的光阑称为“可变光阑”。光阑是实际光学系统成满意（完善）的像的必不可少的条件。孔径光阑的作用：(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PA-uu′A孔径光阑不同位置的孔径光阑都起到对轴上物点成像光束宽度的限制作用；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。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。u′u′-u-u孔径光阑判断孔径光阑是对轴上点发出的光束限制最大的光阑。因此，确定孔径光阑需要：(1)将所有光阑成像到物空间，并求出像的位置与大小。(2)从物的位置对这些像的边缘一一连线求张角，张角最小的那个像所共轭的光阑就是孔径光阑。如图，透镜L1、L2和光阑P对前面的光学系统成像分别得到L1 （与透镜L1重合）、 L2和P 。依次将这些像的边缘与物点A进行连线，分别得到对应的张角u1、uP和u2。因为张角u2最小，所以对应的透镜L2的边框为孔径光阑L2′L1(L1′)L2u2uPu1FAPP′入射光瞳孔径光阑对光学系统物空间和像空间所成的像均称为“光瞳”。入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统在物空间所成的像P′PP′P-uu′-uu′入瞳决定实际进入光学系统的光量入瞳决定了物点成像光束的最大孔径，是物面上各物点成像光束的公共入口出射光瞳出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统在像空间所成的像。P′P′PP-uu′-uu′出瞳决定实际离开光学系统的光量出瞳是物面上各物点成像光束自系统出射时的公共入口出瞳是入瞳经整个光学系统成的像孔径光阑，入瞳，出瞳 入瞳孔径光阑出瞳P1P1PPP2P2(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：对光束起实际限制作用的元件，决定了 入瞳、出瞳；三者互为物像共轭关系。物方孔径角和像方孔径角物方孔径角：由轴上物点至入瞳直径边缘的连线与光轴的夹角像方孔径角：由轴上像点至出瞳直径边缘的连线与光轴的夹角例5-2现有一个孔径为6cm、焦距为20cm的凸透镜L1，物点A置于L1前方80cm处。L1后方40cm处放置一个孔径为2.5cm的光阑P。L1后方60cm处放置一个凹透镜L2，其孔径为8cm、焦距为-20cm，如图5-10所示。求该光学系统哪一个光学元件是孔径光阑，并求入瞳和出瞳的位置。例4-2将透镜L1、L2和光阑P分别对自身前方的光学系统