第四章-光阑与光束限制2课件

第四章第四章 光学系统中的光阑光学系统中的光阑4.1 光阑在光学系统中的作用光阑在光学系统中的作用4.2 光学系统的孔径光阑、入瞳和出瞳光学系统的孔径光阑、入瞳和出瞳（重点）重点）4.3 视场光阑视场光阑4.4 渐晕光阑（重点、难点）渐晕光阑（重点、难点）4.5 光学系统的景深光学系统的景深4.6 远心光路远心光路4.7 典型系统中的光阑（重点、难点）典型系统中的光阑（重点、难点）第四章第四章 光学系统中的光阑光学系统中的光阑n要求要求：了解光阑的基本定义和作用、系统的景深、远了解光阑的基本定义和作用、系统的景深、远心光路和三种典型的目视光学仪器中的光束限制。心光路和三种典型的目视光学仪器中的光束限制。n重点内容重点内容：光光阑阑相相关关的的定定义义；光光阑阑的的种种类类和和作作用用；望望远远系系统统、显显微微系系统统、照照相相系系统统中中的的光光束束限限制制和和特特点点；远远心光路的定义、光路和应用；景深的定义等。心光路的定义、光路和应用；景深的定义等。第四章第四章 光学系统中的光阑光学系统中的光阑n实际光学系统除了满足前述的物像实际光学系统除了满足前述的物像共轭位置共轭位置和成像和成像放大率放大率要求外，还需满足要求外，还需满足成像范围成像范围和和分辨能力分辨能力，因，因此需要合理的限制成像的光束。此需要合理的限制成像的光束。n合理的限制光学系统的合理的限制光学系统的“通光孔径通光孔径”，可以优化系，可以优化系统的横向尺寸，提高成像质量。统的横向尺寸，提高成像质量。n 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。装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制光装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制光束的光孔，这个光孔对光学零件来说被称为束的光孔，这个光孔对光学零件来说被称为“通光孔通光孔径径”。由一点发出能进入透镜或光学系统的光束，其由一点发出能进入透镜或光学系统的光束，其立体角大小取决于透镜的直径。立体角大小取决于透镜的直径。2024/8/74n光阑的定义：光阑的定义：光学系统中，用以限制光束的零件的内孔、透镜外光学系统中，用以限制光束的零件的内孔、透镜外框或者专门设置的带孔金属薄片框或者专门设置的带孔金属薄片称为光阑。称为光阑。光阑是实际光学系统成满意（完善）像必不可少的零光阑是实际光学系统成满意（完善）像必不可少的零件。件。光阑的孔可以是圆形或方形，大多设计时便固定尺光阑的孔可以是圆形或方形，大多设计时便固定尺寸，也有可变的（叫寸，也有可变的（叫“可变光阑可变光阑”）；光阑中心一般）；光阑中心一般与光轴重合，光阑面垂直于光轴。与光轴重合，光阑面垂直于光轴。4.1 4.1 光阑在光学系统中的作用光阑在光学系统中的作用2024/8/75光阑在光学系统中的作用：光阑在光学系统中的作用：n决定像面的照度。决定像面的照度。决定系统的视场。决定系统的视场。限制光束中偏离理想位置的一些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光线，用以改善系统的成像质量 拦截系统中有害的杂散光。拦截系统中有害的杂散光。2024/8/76光阑按上述的作用分为：光阑按上述的作用分为：n孔径光阑孔径光阑n视场光阑视场光阑n消杂光光阑消杂光光阑n渐晕光阑渐晕光阑孔径光阑孔径光阑（有效光阑）（有效光阑）：限制轴上物点孔径限制轴上物点孔径角角u u的大小，或者说限制轴上物点成像光束的大小，或者说限制轴上物点成像光束宽度、并有选择轴外物点成像光束位置作用宽度、并有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑叫做孔径光阑。的光阑叫做孔径光阑。2024/8/77普通照相机中的孔径光阑普通照相机中的孔径光阑可变光阑可变光阑底片底片2024/8/78n视场光阑视场光阑 限制物平面或物空间能被光学系统成像的最限制物平面或物空间能被光学系统成像的最大范围的光阑称为视场光阑。大范围的光阑称为视场光阑。渐晕光阑 光阑以减少轴外像差为目的，使物空间轴外光阑以减少轴外像差为目的，使物空间轴外点发出的、原本能通过上述两种光孔的成像点发出的、原本能通过上述两种光孔的成像光束只能部分通过，这种光阑称为渐晕光阑。光束只能部分通过，这种光阑称为渐晕光阑。视场光阑的形状多为正方形、长方形。例如：显微系统中的视场光阑的形状多为正方形、长方形。例如：显微系统中的分划板就是视场光阑，照相系统中的底片也是视场光阑。分划板就是视场光阑，照相系统中的底片也是视场光阑。2024/8/79n消杂光光阑消杂光光阑 这种光阑不限制通过光学系统中的成像光束，只限制这种光阑不限制通过光学系统中的成像光束，只限制那些从非成像物体射来的光、光学系统各折射面反射的那些从非成像物体射来的光、光学系统各折射面反射的光和仪器内壁反射的光等，这些光阑称为光和仪器内壁反射的光等，这些光阑称为消杂光光阑消杂光光阑。物镜物镜消杂光光阑消杂光光阑分划板分划板镜管加工时镜管加工时,使内壁使内壁成螺纹状成螺纹状,表面处理表面处理成暗黑色成暗黑色,以达到消以达到消除杂光的目的。除杂光的目的。一、孔径光阑一、孔径光阑CAB-uu1）对轴上点：孔径光阑决定了轴上点孔径角的大小。）对轴上点：孔径光阑决定了轴上点孔径角的大小。结论结论1：轴上点孔径角的大小受光阑大小和位置的影响，孔径：轴上点孔径角的大小受光阑大小和位置的影响，孔径角角U由光阑决定，光阑的位置不同，其口径应不同。由光阑决定，光阑的位置不同，其口径应不同。4.2 4.2 孔径光阑、入瞳和出瞳（重点）孔径光阑、入瞳和出瞳（重点）1、孔径光阑位置对轴上物点成像光束位置的选择、孔径光阑位置对轴上物点成像光束位置的选择2、孔径光阑位置对轴外物点成像光束位置的选择、孔径光阑位置对轴外物点成像光束位置的选择ABC2）对轴外点：）对轴外点：结结论论2：对对轴轴外外点点B发发出出的的宽宽光光束束而而言言，在在保保证证轴轴上上点点U不不变变的的情情况况下下，光光阑阑处处于于不不同同位位置置时时，将将选选择择不不同同部部分分的的光光参参与与成成像像，这这样样通通过过改改变变光光阑阑的的位位置置，就就可可以以选选择择成成像像质质量量较较好好的的部部分分光光束参与成像，提高（改善）成像质量。束参与成像，提高（改善）成像质量。孔径光阑对轴外点孔径光阑对轴外点光束宽度和横向尺光束宽度和横向尺寸的影响寸的影响n结论结论3：在保证成像质量的前提下，合理选取光阑：在保证成像质量的前提下，合理选取光阑的位置，可使整个系统的横向尺寸减小，结构匀的位置，可使整个系统的横向尺寸减小，结构匀称。称。n结论结论4：系统中的光阑只是针对某一物体位置而言：系统中的光阑只是针对某一物体位置而言的，若物体位置发生了变化，则原光阑会失去限的，若物体位置发生了变化，则原光阑会失去限光作用。光作用。二、二、入射光瞳与出射光瞳入射光瞳与出射光瞳光瞳：光瞳：孔径光阑的像。孔径光阑的像。入射光瞳：孔径光阑经过孔径光阑入射光瞳：孔径光阑经过孔径光阑前面前面的光学系统的光学系统 所成的像，简称入瞳。所成的像，简称入瞳。入瞳决定了物方最大孔径角入瞳决定了物方最大孔径角的大小，是所有的大小，是所有入射光线的入口入射光线的入口。出射光瞳：孔径光阑经过孔径光阑出射光瞳：孔径光阑经过孔径光阑后面后面的光学系统的光学系统所成的像，简称出瞳。所成的像，简称出瞳。出瞳出瞳决定了像方孔径角的大决定了像方孔径角的大小，是所有出射光线的出口小，是所有出射光线的出口。孔径光阑、出瞳和孔径光阑、出瞳和入瞳，三者之间互入瞳，三者之间互为物像关系！为物像关系！照相机镜头中的孔径光阑照相机镜头中的孔径光阑孔径光阑孔径光阑入射光瞳入射光瞳孔径光阑孔径光阑入瞳入瞳出射光瞳出射光瞳孔径孔径光阑光阑F出瞳出瞳2024/8/7-y-UPP1P2PP1P2UyQQ2Q出射光瞳出射光瞳入射光瞳入射光瞳孔径光阑孔径光阑L1L2 2U 物方孔径角物方孔径角U 像方孔径角像方孔径角决定光学系统决定光学系统的物方孔径角的物方孔径角决定光学系统决定光学系统的像方孔径角的像方孔径角求入瞳、出瞳、孔径光阑的方法求入瞳、出瞳、孔径光阑的方法 将将光光学学系系统统中中所所有有光光学学零零件件（包包括括金金属属薄薄片片）的的通通光光孔孔，分分别别通通过过其其前前面面的的光光学学零零件件成成像像到到整整个个光光学学系系统统的的物物空空间间去去，入入瞳瞳必必然然是是其其中中对对物物面面中中心心张张角角最最小小的的一一个个。与与入入瞳瞳共共轭轭的的实实际际光光阑阑即即为为孔孔径径光光阑阑。如如果果物物体体在在无无限限远远，则入瞳是这些像中直径最小的一个。则入瞳是这些像中直径最小的一个。（1）入瞳的求法（孔径光阑的求法）入瞳的求法（孔径光阑的求法）2024/8/719QQQ2A-UP1PP2入射光瞳入射光瞳孔径光阑孔径光阑L1L2 2L2（2）出瞳的求法）出瞳的求法 使使所所有有的的光光学学零零件件的的通通光光孔孔通通过过其其后后面面的的光光学学零零件件成成像像到到像像空空间间去去，则则出出射射光光瞳瞳对对像像平平面面中中心心所所张张的的角角度度最最小小。与与出出瞳瞳共共轭轭的的实实际际光光阑阑即即为为孔孔径径光光阑阑。如如果果像像在在无无限限远远，则出瞳是这些像中直径最小的一个。则出瞳是这些像中直径最小的一个。2024/8/721PL1AU孔径光阑孔径光阑QQ2QL2 2P P 出射光瞳出射光瞳L1 1例题：薄透镜例题：薄透镜L1 1和和L2 2，间距间距d=5cm，在，在L1 1和和L2 2之间距离之间距离L2 2 2cm2cm处有一个处有一个直径为直径为6cm的圆孔的圆孔PQ，物点位于，物点位于L1 1前前12cm处，处，判断孔径光阑，并求入瞳、出瞳的位置和大小。判断孔径光阑，并求入瞳、出瞳的位置和大小。2024/8/723必须注意：n 光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光阑如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限制。制。对于对于无限远无限远的物体，光学系统的所有光孔被其的物体，光学系统的所有光孔被其前面的光学零件在物空间所成的像中，前面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小直径最小的的一个光孔像就是系统的入瞳。一个光孔像就是系统的入瞳。2024/8/724 1、主光线：、主光线：通过入射光瞳中心的光线称为主光线。通过入射光瞳中心的光线称为主光线。由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心和出由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。瞳中心。主光线是物面上发出的充满光学系统入瞳的主光线是物面上发出的充满光学系统入瞳的成像光束的成像光束的轴线轴线。光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重要性能光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重要性能参数之一。参数之一。它不但决定了它不但决定了像面的照度像面的照度，而且还决定了，而且还决定了光学系统光学系统分辨能力。分辨能力。三、主光线、相对孔径三、主光线、相对孔径、光瞳数以及数值孔径、光瞳数以及数值孔径2024/8/725对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种孔径角相应的性能参数。种孔径角相应的性能参数。n显微系统和投影系统的物镜常用显微系统和投影系统的物镜常用nsinsinU Umaxmax表示，被表示，被称之为称之为数值孔径数值孔径，用，用NANA表示，即表示，即 n n 物方空间的介质折射率。物方空间的介质折射率。物方孔径角物方孔径角U Umaxmax越大，其越大，其数值孔径数值孔径也越大也越大 进入系统的光能越多，理论分辨本领越高2024/8/726n望远系统和摄影系统常用望远系统和摄影系统常用相对孔径相对孔径A来表示来表示 D 入瞳直径 f物镜焦距 相对孔径A越大，表明能进入系统的光能也越多而照相机，则常用另一个术语光阑指数（光瞳数、光圈数），用F来表示，它是相对孔径的倒数，即光圈越大光圈越大，说明相对孔径越大，光圈数值，说明相对孔径越大，光圈数值F愈小愈小。关于孔径光阑需要注意的几个问题关于孔径光阑需要注意的几个问题（1）在在具具体体的的光光学学系系统统中中，如如果果物物平平面面位位置置有有了了变变动动，究究竟竟谁谁是是真真正正起起限限制制轴轴上上物物点点光光束束宽宽度度作作用用的孔径光阑？的孔径光阑？ABA（2）孔孔径径光光阑阑位位置置的的安安放放原原则则在在不不同同光光学学系系统统中中是不同的。是不同的。在在遵遵循循了了上上述述原原则则后后，光光阑阑位位置置若若还还有有选选择择余余地地，则应考虑如何合理地匹配光学系统各元件的口径。则应考虑如何合理地匹配光学系统各元件的口径。c)当当仪仪器器不不对对光光阑阑位位置置提提出出要要求求时时，光光学学设设计计者者所所确确定定的的光光阑阑位位置置应应是是轴轴外外光光束束像像差差校校正正较较完完善善的的位位置置，亦即亦即把光阑位置的选择作为校正像差的一个手段把光阑位置的选择作为校正像差的一个手段。b)在在投影计量光学系统投影计量光学系统中，为使投影像的倍率不因物中，为使投影像的倍率不因物距变化而变化，要求系统的距变化而变化，要求系统的出瞳或入瞳位于无限远出瞳或入瞳位于无限远（物方（物方/像方远心光路）像方远心光路）；a)在在目目视视光光学学系系统统中中，系系统统的的出出瞳瞳必必须须在在目目镜镜外外的的一一定位置，便于定位置，便于人眼瞳孔与其衔接人眼瞳孔与其衔接（光瞳衔接原则）（光瞳衔接原则）；n补充（重要常识）补充（重要常识）：1、什么是、什么是第一近轴光第一近轴光？n轴上点发出的，经过入瞳边缘的光线（注意物在有轴上点发出的，经过入瞳边缘的光线（注意物在有限远和无限远的区别）。用以计算系统的高斯结构限远和无限远的区别）。用以计算系统的高斯结构参数（高斯像面、焦点等）。参数（高斯像面、焦点等）。2、什么是、什么是第二近轴光第二近轴光？n物方视场边缘（轴外）发出的，通过入瞳中心的近物方视场边缘（轴外）发出的，通过入瞳中心的近轴光线。用以计算出瞳位置，理想像高等。轴光线。用以计算出瞳位置，理想像高等。以上两种光线的追迹，属于光路计算中以上两种光线的追迹，属于光路计算中子午面内的近轴光路计算（详见第六章）！子午面内的近轴光路计算（详见第六章）！一、视场光阑的定义与作用一、视场光阑的定义与作用4.3 视场光阑（重点）光学系统的成像范围是有限的。光学系统的成像范围是有限的。照相机中底片框限制了被成像范围的大小，照相机中底片框限制了被成像范围的大小，工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的大小。工具显微镜中分划板的直径决定成像物体的大小。这种限制物体成像范围的光阑称为这种限制物体成像范围的光阑称为视场光阑。视场光阑。n完整定义：完整定义：在光学系统的像平面或者其共轭平面上放置的用在光学系统的像平面或者其共轭平面上放置的用以限制视场的光阑，称为视场光阑。以限制视场的光阑，称为视场光阑。n意义意义：保证在所限制的视场内有满意的成像质量和足够的光：保证在所限制的视场内有满意的成像质量和足够的光照度。照度。n注意注意：一个光学系统只有一个视场光阑。一个光学系统只有一个视场光阑。n二、视场度量的二种方式二、视场度量的二种方式n1、物体在、物体在有限距离有限距离时，以时，以线视场线视场表示视场大小。表示视场大小。物方线视场物方线视场2y（二倍的物高）；（二倍的物高）；像方线视场像方线视场2y（二倍的像高）。（二倍的像高）。视场光阑多为矩形、方形及圆形。视场光阑多为矩形、方形及圆形。若为圆形，用直径度量；若为圆形，用直径度量；若为矩形，用对角线来表示（如显示屏幕、若为矩形，用对角线来表示（如显示屏幕、CCD/CMOS成像元成像元件）。件）。很多时候以英寸为单位，很多时候以英寸为单位，1 inch=25.4mm。n2、物体在无限远时，以、物体在无限远时，以视场角视场角表示视场大小。表示视场大小。物方视场角物方视场角2（物方视场边缘对入瞳中心的张角）（物方视场边缘对入瞳中心的张角）像方视场角像方视场角2（像方视场边缘对出瞳中心的张角）（像方视场边缘对出瞳中心的张角）对不同的物面上的点其视场角不相同。对不同的物面上的点其视场角不相同。n3、注意：、注意：1）很多情况下，我们都用）很多情况下，我们都用半视场半视场来表示视场。来表示视场。2）视场角也有符号，它也遵循符号原则。）视场角也有符号，它也遵循符号原则。描述时注意要以描述时注意要以o的形式出现，以免引起误解的形式出现，以免引起误解注意和孔径角注意和孔径角U、U的区别的区别n三、入射窗、出射窗三、入射窗、出射窗 1、入射窗：、入射窗：视场光阑视场光阑经经前面前面的光组在的光组在物空间所成的像物空间所成的像；2、出射窗：、出射窗：视场光阑视场光阑经经后面后面的光组在的光组在像空间所成的像像空间所成的像；入射窗、出射窗、视场光阑三者之间是共轭的。出射窗可看作是入射窗、出射窗、视场光阑三者之间是共轭的。出射窗可看作是入射窗经整个光学系统所成的像。入射窗经整个光学系统所成的像。孔径光阑孔径光阑AL1L2BC出射光瞳出射光瞳入射窗入射窗PQP入射光瞳入射光瞳视视场场光光阑阑（出出射射窗窗）若孔径光阑或入瞳都非常小，只有沿主光线的一束无限细光束能通若孔径光阑或入瞳都非常小，只有沿主光线的一束无限细光束能通过光学系统，故过光学系统，故系统成像范围，由对主光线发生限制的光孔决定。系统成像范围，由对主光线发生限制的光孔决定。2024/8/733入射窗限制着物空间的成像范围；入射窗限制着物空间的成像范围；出射窗限制了像方出射窗限制了像方视场范围。视场范围。3、判断入射窗、出射窗的方法：、判断入射窗、出射窗的方法：将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对其前（后）面的光学系统成像到系统的物（像）空间其前（后）面的光学系统成像到系统的物（像）空间去，并根据各像的位置及大小求出它们去，并根据各像的位置及大小求出它们对入（出）瞳对入（出）瞳中心的张角中心的张角，其中，其中张角最小者张角最小者为入射窗（出射窗）。为入射窗（出射窗）。入射窗、视场光阑和出射窗在各自的空间对同一条主入射窗、视场光阑和出射窗在各自的空间对同一条主光线起限制作用，光线起限制作用，主光线和光轴间的夹角即表示整个主光线和光轴间的夹角即表示整个光学系统的视场角。光学系统的视场角。2024/8/734n视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。n当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能被当孔径光阑位置改变时，原来的视场光阑将可能被另外的光孔所代替。另外的光孔所代替。n渐晕现象渐晕现象n以上只讨论了入射光瞳为无限小时的情况。以上只讨论了入射光瞳为无限小时的情况。n实际上光学系统的入射光瞳总有一定的大小。实际上光学系统的入射光瞳总有一定的大小。若视场光阑放在像面上，入射窗和物平面重合，出射窗是视场光阑本身。若视场光阑放在像面上，入射窗和物平面重合，出射窗是视场光阑本身。若视场光阑放在物面上，入射窗为视场光阑本身，出射窗与像平面重合。若视场光阑放在物面上，入射窗为视场光阑本身，出射窗与像平面重合。n在多数情况下，入射窗并不能完全决定光学系统在多数情况下，入射窗并不能完全决定光学系统的成像范围。的成像范围。4.4 4.4 渐晕光阑（重点、难点）渐晕光阑（重点、难点）n1、定义：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通、定义：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径所拦截的现像，称为光口径所拦截的现像，称为“渐晕渐晕”；用以产生渐；用以产生渐晕效果的光阑（晕效果的光阑（可以是多个可以是多个），称为），称为“渐晕光阑渐晕光阑”。实际上，渐晕现像是普遍存在的，实际上，渐晕现像是普遍存在的，我们用不着绝对的消除渐晕。一般我们用不着绝对的消除渐晕。一般系统允许有系统允许有50的渐晕（拦一半），的渐晕（拦一半），甚至甚至30的渐晕。的渐晕。2024/8/736A物物平平面面B1B2B3M1M2M入射窗入射窗入射光瞳入射光瞳P1P2PP2P2P2P P P1P1P1n2、关于渐晕形成的讨论透光百分比：透光百分比：A：100%B1：100%B2：50%B3：0%由由B1到到B3点的透光比由点的透光比由100%到到0%是渐变的是渐变的，并没有明显的界限。并没有明显的界限。用眼睛通过放大镜观察物面时，由放大镜和眼用眼睛通过放大镜观察物面时，由放大镜和眼睛组成的光学系统就是这样睛组成的光学系统就是这样。关于入（出）射窗和视场光阑及渐晕光阑的说明关于入（出）射窗和视场光阑及渐晕光阑的说明n首先要理解的是：光学系统入（出）射窗本质上是光首先要理解的是：光学系统入（出）射窗本质上是光学系统在物（像）空间用以限制成像范围的孔径或者学系统在物（像）空间用以限制成像范围的孔径或者孔径的像。孔径的像。n视场光阑和渐晕光阑都能起到这种限制成像范围的作视场光阑和渐晕光阑都能起到这种限制成像范围的作用，但二者的作用效果是不同的。用，但二者的作用效果是不同的。n 渐晕光阑经过其前面光学系统渐晕光阑经过其前面光学系统在物空间所成的像，不一定与物面在物空间所成的像，不一定与物面相重合相重合，这样物面、该像和入瞳三，这样物面、该像和入瞳三者的相对位置关系造成了像面上渐者的相对位置关系造成了像面上渐晕的产生。若系统没有设置视场光晕的产生。若系统没有设置视场光阑，则最终的像面范围由渐晕像面阑，则最终的像面范围由渐晕像面自然划分。效果如右图。自然划分。效果如右图。n而而视场光阑一般设置在系统的像视场光阑一般设置在系统的像面或者是中间像面面或者是中间像面上，这就意味上，这就意味着视场光阑经过系统在物方所成着视场光阑经过系统在物方所成的像正好与物面重合。该像、视的像正好与物面重合。该像、视场光阑及像面三者共轭。所以这场光阑及像面三者共轭。所以这样的像或光阑就严格且清楚的划样的像或光阑就严格且清楚的划分出了物面上能进入最终像面的分出了物面上能进入最终像面的部分，以及像面上最终可用（需部分，以及像面上最终可用（需要）的部分。相当于在渐晕的基要）的部分。相当于在渐晕的基础上对画面做了筛选处理。效果础上对画面做了筛选处理。效果大致如右图。大致如右图。被出窗限制了被出窗限制了范围的像面范围的像面n以照相系统为例，由于渐晕的存在，最后底片上图像以照相系统为例，由于渐晕的存在，最后底片上图像的边缘实际是从亮到暗变化的区域，暗到一定程度时，的边缘实际是从亮到暗变化的区域，暗到一定程度时，我们认为该图像不可用（传递函数值太低），于是用我们认为该图像不可用（传递函数值太低），于是用底片外框拦掉它，以此来限制了有效的成像范围，并底片外框拦掉它，以此来限制了有效的成像范围，并不是说底片外就完全没有像了。不是说底片外就完全没有像了。n又如：某些镜头加了遮光罩之后，最后照片上会出现又如：某些镜头加了遮光罩之后，最后照片上会出现所谓所谓“暗角暗角”现象，就是不合理拦光造成渐晕的情况。现象，就是不合理拦光造成渐晕的情况。n目前有些教材上称形成入（出）射窗的是视场光阑，目前有些教材上称形成入（出）射窗的是视场光阑，有些则说是渐晕光阑，区别就在于最后像面的范围到有些则说是渐晕光阑，区别就在于最后像面的范围到底靠渐晕自然划分还是靠人为设置边框划分。请各位底靠渐晕自然划分还是靠人为设置边框划分。请各位同学理解其本质！同学理解其本质！暗角暗角以及以及LOMO的暗角艺术效果的暗角艺术效果2024/8/741n入射光瞳具有一定大小入射光瞳具有一定大小时，没有渐晕的情况也时，没有渐晕的情况也是存在的是存在的 n入射窗和物平面相重合入射窗和物平面相重合 n或者或者把视场光阑（出射把视场光阑（出射窗）设置在像平面上窗）设置在像平面上n视场具有清晰的界限视场具有清晰的界限 物平面物平面入窗入窗入瞳入瞳出瞳出瞳像平面像平面视场光阑视场光阑出窗出窗3、消除渐晕的条件、消除渐晕的条件n3、消除渐晕的条件、消除渐晕的条件 n只要入射窗（决定了物方视场的大小）与物平面只要入射窗（决定了物方视场的大小）与物平面重合，出射窗与像平面重合就可消除渐晕。重合，出射窗与像平面重合就可消除渐晕。一般，多个透镜组成的结构复杂的光学系统，为了提高一般，多个透镜组成的结构复杂的光学系统，为了提高其轴外点成像质量，会设置渐晕光阑。其轴外点成像质量，会设置渐晕光阑。但对于单组光学系统，如简单的望远镜，显微镜，可以但对于单组光学系统，如简单的望远镜，显微镜，可以没有渐晕光阑，没有渐晕光阑，分划板就是视场光阑，分划板的像大致分划板就是视场光阑，分划板的像大致成像于物面和像面上，满足消除渐晕的条件。成像于物面和像面上，满足消除渐晕的条件。n4、渐晕系数、渐晕系数 n(1)线渐晕系数表示式为：线渐晕系数表示式为：式中，式中，2b是轴外点发出光束的宽度；是轴外点发出光束的宽度；2h是轴上点发出是轴上点发出光束宽度（它们都是在垂直于光轴的平面上度量）；光束宽度（它们都是在垂直于光轴的平面上度量）；若若2b,2h在入瞳面内度量，则上式变为：在入瞳面内度量，则上式变为：分子是斜光束在入瞳平面上垂直于光轴方向上的宽度；分子是斜光束在入瞳平面上垂直于光轴方向上的宽度；分母是入瞳直径。分母是入瞳直径。n4、渐晕系数、渐晕系数 n(2)几何渐晕系数表示式为：几何渐晕系数表示式为：Aw是斜光束在垂轴方向度量的截面积，是斜光束在垂轴方向度量的截面积，Ap是轴上点光是轴上点光束在垂轴方向的截面积。束在垂轴方向的截面积。Aw和和Ap一般在出瞳位置度量。一般在出瞳位置度量。前面渐晕讨论的图中透光前面渐晕讨论的图中透光百分比：百分比：A：100%B1：100%B2：50%B3：0%选其中选其中B2点点线渐晕系数：线渐晕系数：几何渐晕系数为线渐晕系数的平方：几何渐晕系数为线渐晕系数的平方：4.5 光学系统的景深光学系统的景深上节讨论在垂直于光轴的平面上点的成像问题。上节讨论在垂直于光轴的平面上点的成像问题。如：照相制版物镜和电影放映物镜。如：照相制版物镜和电影放映物镜。实际上有很多光学仪器需要把空间中的物点成像实际上有很多光学仪器需要把空间中的物点成像在一个像平面上（称为在一个像平面上（称为平面上的空间像平面上的空间像），如望），如望远镜和照相物镜等就属于这一类。远镜和照相物镜等就属于这一类。一、光学系统的空间像一、光学系统的空间像、空间物点成像：、空间物点成像：物空间各空间点的成像，相当于以入射光瞳中物空间各空间点的成像，相当于以入射光瞳中心为投影中心，以主光线为投影线，将各点投影到对准平面上后，心为投影中心，以主光线为投影线，将各点投影到对准平面上后，再成像到景象平面上。在像空间以出射光瞳中心为投影中心，各空再成像到景象平面上。在像空间以出射光瞳中心为投影中心，各空间像点沿主光线投影到景象平面上，即是空间物点的平面像。间像点沿主光线投影到景象平面上，即是空间物点的平面像。入瞳入瞳出瞳出瞳对准平面对准平面 景像平面景像平面2024/8/747n如果入瞳位置对于物如果入瞳位置对于物方空间点（即景物）方空间点（即景物）位置发生变化，则景位置发生变化，则景象也随之变化。象也随之变化。n投影中心作前后移动投影中心作前后移动时，投影像的变化和时，投影像的变化和景物是不成比例的，景物是不成比例的，这种现象称为景象畸这种现象称为景象畸变，也称为变，也称为透视失真透视失真。对对准准平平面面AAAAPPS1S2入入射射光光瞳瞳出出射射光光瞳瞳景景像像平平面面P-p2p22Dz2z2近景平面近景平面B2B2p1-p1z1B1MHz1B1远景平面远景平面-ppP2A2aP1对准平面对准平面入瞳入瞳出瞳出瞳景象平面景象平面A 根据共轭理论，只有一个物平面（对准平面）能在其共轭的像根据共轭理论，只有一个物平面（对准平面）能在其共轭的像平面（景象平面）上成清晰像平面（景象平面）上成清晰像,其他物平面上的物点在像平面上所其他物平面上的物点在像平面上所成的像均为弥散斑。成的像均为弥散斑。2、景深产生的原因、景深产生的原因接收器（感光器件）如人眼等，有一定的分辨极限，因而就允许有接收器（感光器件）如人眼等，有一定的分辨极限，因而就允许有一定的一定的弥散存在，只要在允许范围内就认为是一个清晰像。弥散存在，只要在允许范围内就认为是一个清晰像。思考：为思考：为什么看许什么看许多照片时多照片时感觉远近感觉远近都清楚？都清楚？-p2p22Dz2z2近景平面近景平面B2B2-ppP2A2aP1对准平面对准平面入瞳入瞳出瞳出瞳景象平面景象平面Ap1-p1z1B1MHz1B1远景平面远景平面3.概念概念景深景深：能在景象平面上获得清晰像的空间深度称为成能在景象平面上获得清晰像的空间深度称为成像空间的景深，简称景深。像空间的景深，简称景深。近景平面近景平面：能成清晰像的最近物平面为近景平面。对：能成清晰像的最近物平面为近景平面。对应物平面离对准平面的距离为近景深度（前景深）应物平面离对准平面的距离为近景深度（前景深）2 2。景深为远景深度景深为远景深度1 1与近景深度与近景深度2 2之和，即之和，即=1 1+2 2远景平面远景平面：能成清晰像的最远物平面为远景平面。对：能成清晰像的最远物平面为远景平面。对应物平面离对准平面的距离为远景深度（后景深）应物平面离对准平面的距离为远景深度（后景深）1 1。二、景深公式（摄影中采用）二、景深公式（摄影中采用）远景深远景深近景深近景深景景 深深：镜头的拍摄光圈系数：镜头的拍摄光圈系数 式中：式中：:容许弥散斑直径容许弥散斑直径 ：镜头焦距：镜头焦距：拍摄距离：拍摄距离（物距）（物距）摄影物镜的摄影物镜的远景深（远景深（后景深）后景深）大于前景深（近景深）大于前景深（近景深）三、影响景深的因素三、影响景深的因素思考：影响思考：影响景深的因素景深的因素有哪些？有哪些？(4)(4)弥散圆直径：弥散圆直径越小，景深越小；弥散圆直径：弥散圆直径越小，景深越小；反之则景深越大。反之则景深越大。(1)(1)镜头光圈：光圈越大（镜头光圈：光圈越大（F F数越小），景深越小；反之则景深越大数越小），景深越小；反之则景深越大(2)(2)镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；反之则景深越大；镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；反之则景深越大；(3)(3)拍摄距离：距离越近，景深越小；反之则景深越大；拍摄距离：距离越近，景深越小；反之则景深越大；由公式由公式得知：景深与镜头使用的光得知：景深与镜头使用的光圈、镜头焦距、拍摄距离以圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求有关及对像质的要求有关。三、影响景深的因素三、影响景深的因素对比这两幅对比这两幅照片，思考：照片，思考：拍摄时如何拍摄时如何使背景虚化，使背景虚化，获得小景深获得小景深效果？效果？采用采用“最大光圈长焦距镜头尽可能缩短摄距最大光圈长焦距镜头尽可能缩短摄距”来来获取小景深。获取小景深。四、小景深拍摄实例四、小景深拍摄实例1 1、焦距相同，拍摄距离相同、焦距相同，拍摄距离相同采用大光圈采用大光圈F=2.8拍摄，拍摄，背景虚化很好背景虚化很好采用小光圈采用小光圈F=11拍摄，拍摄，背景很清晰背景很清晰四、小景深拍摄实例四、小景深拍摄实例2 2、光圈相同、光圈相同F=4.5F=4.5，拍摄距离相同，拍摄距离相同用广角端（短焦）拍摄，用广角端（短焦）拍摄，背景较清晰背景较清晰用望远程（长焦）拍摄，用望远程（长焦）拍摄，背景较模糊背景较模糊四、小景深拍摄实例四、小景深拍摄实例3 3、光圈相同、光圈相同F=4.5F=4.5，焦距相同，焦距相同拍摄距离较远时，拍摄距离较远时，背景比较清晰背景比较清晰拍摄距离变近时，拍摄距离变近时，背景变得比较模糊背景变得比较模糊3 3、影、影响景深响景深的因的因素素l焦距长短焦距长短l光圈大小光圈大小l物距远近物距远近100mm F2.8100mm F2.870mm F2.870mm F2.870mm F870mm F81 1、景深的定义、景深的定义2 2、景深产生的原因、景深产生的原因五、小结：五、小结：六、实践六、实践l小小景景深和大景深效果分别适合什么摄影场合？深和大景深效果分别适合什么摄影场合？l卡片数码相机光圈和焦距都不是很大，该如何实现小景深？卡片数码相机光圈和焦距都不是很大，该如何实现小景深？l请分别照几张小景深和大景深的相片，体会景深的含义。请分别照几张小景深和大景深的相片，体会景深的含义。拓展：拓展：拓展：拓展：景深的意义和应用景深的意义和应用景深的意义和应用景深的意义和应用移轴摄影移轴摄影移轴摄影移轴摄影2024/8/760n物方物方远心光路和远心光路和像方像方远心光路。远心光路。n在光学仪器中，很大一部分仪器用来测量长度。在光学仪器中，很大一部分仪器用来测量长度。n一类仪器是光学系统有一定放大率，使被测物的像一类仪器是光学系统有一定放大率，使被测物的像和标准刻尺相比，和标准刻尺相比，求被测物体的长度求被测物体的长度，如，如工具显微工具显微镜镜等计量仪器。等计量仪器。n另一类仪器是把一标尺放在不同的位置，光学系统另一类仪器是把一标尺放在不同的位置，光学系统改变放大率，使标尺的像等于一个已知值，来改变放大率，使标尺的像等于一个已知值，来求仪求仪器到标尺间距离器到标尺间距离，如，如大地测量仪器大地测量仪器中的视距测量。中的视距测量。4.6 4.6 远心光路远心光路2024/8/7n在在工具显微镜工具显微镜光学系统的实像平面上，放置已知刻光学系统的实像平面上，放置已知刻度值的透明刻尺（称为分划板）度值的透明刻尺（称为分划板）n分划板上刻尺的格值已考虑了物镜的放大率分划板上刻尺的格值已考虑了物镜的放大率 n按此方法测量，刻尺与物镜之间的距离应保持不变，按此方法测量，刻尺与物镜之间的距离应保持不变，使物镜的放大率保持常数使物镜的放大率保持常数n这种测量方法的这种测量方法的测量精度测量精度在很大程度上取决于像平在很大程度上取决于像平面与刻尺平面的重合程度。面与刻尺平面的重合程度。分划板分划板物镜物镜yBAyAB通过调焦使被测物体的像通过调焦使被测物体的像AB与分划板刻尺面重合。与分划板刻尺面重合。2024/8/762n由于景深及调焦误差，不可能做到真正的重合，会引起一些误差。由于景深及调焦误差，不可能做到真正的重合，会引起一些误差。n像平面与分划板像平面与分划板不重合不重合的现象称为的现象称为视差视差。n引起视差的主要原因：引起视差的主要原因：物镜框为孔径光阑时，由于物镜框为孔径光阑时，由于AB与与A1B1位位置不同置不同，主光线不同主光线不同，在像面上投射的高度不同。，在像面上投射的高度不同。通过调焦使被测物体通过调焦使被测物体AB的像的像AB与分划板刻尺面重合，像与分划板刻尺面重合，像高高y。由于调焦不准，物在由于调焦不准，物在A1B1时，时，像不与像不与分划板重合，在分划板重合，在分划板上读到的像高分划板上读到的像高为为y1,故有误差。故有误差。2024/8/763u为减少视差对测量精度的影响，需要为减少视差对测量精度的影响，需要控制主光线的方向。控制主光线的方向。1、物方远心光路：孔径光阑在物镜像方焦平面处，、物方远心光路：孔径光阑在物镜像方焦平面处，则则入瞳在物入瞳在物方无限远处，所以物方主光线平行于光轴。方无限远处，所以物方主光线平行于光轴。由于孔径光阑在物镜像方焦平面处，无论物体位于由于孔径光阑在物镜像方焦平面处，无论物体位于AB还是还是A1B1位置位置处，它们的处，它们的主光线是重合的主光线是重合的，即轴外点光束中心相同，故尽管两者成即轴外点光束中心相同，故尽管两者成像地方不通，但在分划板刻尺上的两个弥散圆中心间距没有变，所以像地方不通，但在分划板刻尺上的两个弥散圆中心间距没有变，所以虽然调焦不准，也不会产生测量误差。虽然调焦不准，也不会产生测量误差。2024/8/7642、像方远心光路：孔径光阑在物镜物方焦平面处。、像方远心光路：孔径光阑在物镜物方焦平面处。则出瞳位于则出瞳位于像方无限远处，平行于光轴的像方无限远处，平行于光轴的像方主光线像方主光线在无限远处会聚于出瞳在无限远处会聚于出瞳中心中心。常用在大地测量仪器及照明系统中。常用在大地测量仪器及照明系统中。孔径光阑孔径光阑（入瞳）（入瞳）分划板分划板M1M2MFABB 刻尺刻尺AB当作物，与像面当作物，与像面AB相共轭，位置不变。由于调焦不准，导致相共轭，位置不变。由于调焦不准，导致实际像面与实际分划面不完全重合，造成视差，同样影响测距精度，为此也实际像面与实际分划面不完全重合，造成视差，同样影响测距精度，为此也用孔径光阑来控制主光线。由于孔阑放于用孔径光阑来控制主光线。由于孔阑放于F处，所以主光线经系统后平行于处，所以主光线经系统后平行于光轴，这样不论像面与分划面是否重合，我们读的都是主光线的位置，从而光轴，这样不论像面与分划面是否重合，我们读的都是主光线的位置，从而消除（减少）了测距误差。消除（减少）了测距误差。刻尺面（不动）刻尺面（不动）像面像面A2024/8/765CCD偏左偏左CCD偏右偏右没没有有远远心心镜镜头头加加上上远远心心镜镜头头4.7 4.7 典型系统的光束限制典型系统的光束限制n一、放大镜一、放大镜放大镜成一正立、放放大镜成一正立、放大的虚像。人眼是孔大的虚像。人眼是孔径光阑（出瞳），限径光阑（出瞳），限制的是成像光束，放制的是成像光束，放大镜本身是渐晕光阑大镜本身是渐晕光阑（入射窗），限制的（入射窗），限制的是成像范围。其最大是成像范围。其最大的视场由入瞳的下边的视场由入瞳的下边缘与入射窗的上边缘缘与入射窗的上边缘决定。决定。注意，结合人眼注意，结合人眼才是完整系统！才是完整系统！二、望远镜（无光焦系统）二、望远镜（无光焦系统）1.两个光学系统连用时，一般应满足光瞳衔接原则。两个光学系统连用时，一般应满足光瞳衔接原则。2.目视光学系统的出瞳一般在外，且满足目视光学系统的出瞳一般在外，且满足 lz6mm。3.望远系统的望远系统的孔径光阑大致在物镜左右孔径光阑大致在物镜左右。4.若放分划板，则分划板框为望远镜的视场光阑。若放分划板，则分划板框为望远镜的视场光阑。光瞳衔接原则：光瞳衔接原则：前一个系统的出瞳与后一系统的入瞳相重合，前一个系统的出瞳与后一系统的入瞳相重合，否则就会出现光束拦截现像。否则就会出现光束拦截现像。伽利略式望远镜：伽利略式望远镜：物镜框为孔径光阑和入瞳物镜框为孔径光阑和入瞳；没有视场光阑（没有中间像）；没有视场光阑（没有中间像）；目镜框为渐晕光阑和出射窗，其口径限制了视场角大小。目镜框为渐晕光阑和出射窗，其口径限制了视场角大小。注意：伽利略式望远镜一般为目视望远镜，所以加上人眼的眼注意：伽利略式望远镜一般为目视望远镜，所以加上人眼的眼瞳才是完整的望远光学系统，所以此时各个元件的作用有改变：瞳才是完整的望远光学系统，所以此时各个元件的作用有改变：物镜框为渐晕光阑和入射窗物镜框为渐晕光阑和入射窗；人眼瞳作为系统的孔径光阑和出瞳人眼瞳作为系统的孔径光阑和出瞳；渐晕的关系依然由渐晕的关系依然由入射窗和入瞳的相对位置入射窗和入瞳的相对位置关系来确定。关系来确定。开普勒式望远镜开普勒式望远镜1、物镜框为孔径光阑、物镜框为孔径光阑和入瞳；和入瞳；2、分划板为视场光阑；、分划板为视场光阑；3、一般没有渐晕光阑，、一般没有渐晕光阑，但如果需要减小目镜的但如果需要减小目镜的横向尺寸时，目镜框会横向尺寸时，目镜框会成为渐晕光阑及出窗。成为渐晕光阑及出窗。4、系统的出瞳和人眼、系统的出瞳和人眼眼瞳重合。眼瞳重合。n三、显微系统三、显微系统 n由物镜与目镜构成，在中间也有一实像面，可放置分划板，由物镜与目镜构成，在中间也有一实像面，可放置分划板，用于观察近处的物体。显微系统它的物镜焦距与目镜焦距用于观察近处的物体。显微系统它的物镜焦距与目镜焦距都比较短，从而出现较大的光学间隔。都比较短，从而出现较大的光学间隔。n对对低倍低倍显微系统而言，其孔径光阑是物镜框（入瞳）；而显微系统而言，其孔径光阑是物镜框（入瞳）；而出瞳也与人眼眼瞳相重合；对出瞳也与人眼眼瞳相重合；对高倍高倍显微系统而言，其孔径显微系统而言，其孔径光阑是专门设置的；对显微系统而言，其视场光阑是分划光阑是专门设置的；对显微系统而言，其视场光阑是分划板；位于目镜物方焦点附近。板；位于目镜物方焦点附近。显微镜系统小结显微镜系统小结1.一般显微镜系统中，孔径光阑位于显微物镜上；一般显微镜系统中，孔径光阑位于显微物镜上；一次实像面处安装系统视场光阑。一次实像面处安装系统视场光阑。2.显微镜系统用于测量长度时，为了消除显微镜系统用于测量长度时，为了消除 测量误差测量误差孔径光阑安装在显微镜的像方焦面处，称为孔径光阑安装在显微镜的像方焦面处，称为“物方物方远心光路远心光路”。3.在长光路系统中往往利用在长光路系统中往往利用场镜场镜（压低光线，减小压低光线，减小后续光路光瞳直径）。后续光路光瞳直径）。达到前后系统的光瞳衔接，达到前后系统的光瞳衔接，以减小光学系统的口径。以减小光学系统的口径。4、场镜场镜 n四、照相系统四、照相系统 n照相系统主要由三部分构成，各自完成自己的功能：照相系统主要由三部分构成，各自完成自己的功能：n1、底片：用于记录物体经系统所成的像，在照相、底片：用于记录物体经系统所成的像，在照相机中它起到视场光阑作用，限制的是照相机的成像机中它起到视场光阑作用，限制的是照相机的成像范围。范围。n2、可变光阑：是系统的孔径光阑，其大小可调，、可变光阑：是系统的孔径光阑，其大小可调，能够调节进入系统的能量多少。能够调节进入系统的能量多少。n3、物镜：可以使不同远近物体发出的光经系统进、物镜：可以使不同远近物体发出的光经系统进行成像。行成像。第四章第四章 作业作业n课后题：课后题：P73:1