光学系统中的光束限制

[考试要求] 要求考生了解三种典型的目视光学仪器中的光束限制、系统的景深和远心 光路。 [考试内容] 与光阑相关的定义，光阑的种类和作用，照相系统、显微系统、望远系统 中的光束限制和特点，远心光路的定义、光路和应用，景深的定义等。 ［作业］ P73：1、3、4 第四章第四章光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制 §§4 4－－1 1光阑在光学系统中的作用光阑在光学系统中的作用 一、光阑一、光阑 1、定义定义：光学系统中设置的带有内孔的金属薄片，是专用光阑。 光阑一般垂直于光轴放置，且其中心与光轴中心相重合。 2 2、形状：、形状：光阑多为圆形、正方形、长方形，有些光阑的尺寸大小是可以调节的 （即可变光阑） 。 例如：人眼瞳孔就是光阑，瞳孔的大小随着外界明亮程度的不同是可以变 化的，白天最小 D＝2mm,晚上最大，可达 D=8mm。 3 3、光阑作用、光阑作用：是用内孔限制成像光束大小的，提高成像质量。 图 4—1孔径光阑对轴上点光束的限制 二、光阑种类二、光阑种类 主要分为：孔径光阑和视场光阑。 1、孔径光阑（有效光阑）孔径光阑（有效光阑） ：指限制进入系统的成像光束口径的光阑。 1）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 1：：轴上点孔径角的大小受光阑大小和位置的影响，孔径角 U 由光阑决定， 光阑的位置不同，其口径应不同。 2）对轴外点： 孔径光阑 M N L (a) A M N L (b) A 图 4—2孔径光阑对轴外点光束的限制 结论结论 2 2：：对轴外点 B 发出的宽光束而言，在保证轴上点 U 不变的情况下，光阑 处于不同位置时，将选择不同部分的光参与成像，这样通过改变光阑的位置，就 可以选择成像质量较好的部分光束参与成像，提高（改善）成像质量。 图 4—3孔径光阑和物体位置的关系 结论结论 3 3：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，结构匀称。 结论结论 4 4：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， 则原光阑会失去限光作用。 2、视场光阑视场光阑：用以限制成像范围的光阑。 视场光阑的形状多为正方形、长方形。例如：显微系统中的分划板就是视场 光阑，照相系统中的底片也是视场光阑。 小孔 AA §§4 4－－2 2入瞳、出瞳入瞳、出瞳 一、定义：一、定义： 1、入瞳入瞳：孔径光阑经前面的透镜组（光学系统）在物空间所成的像。 入瞳决定了物方最大孔径角的大小，是所有入射光的入口。 2 2、出瞳、出瞳：孔径光阑经后面的透镜组（光学系统）在像空间所成的像。 出瞳决定了像方孔径角的大小，且是所以出射光的出口。 图图 4 4－－4 4 3 3、判断入瞳、出瞳的方法：、判断入瞳、出瞳的方法： 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）空间去，并根据各像的位置及大小求出它们对轴上物（像） 点的张角，其中张角最小者为入瞳（出瞳） 。 二、主光线、相对孔径二、主光线、相对孔径 1 1、主光线、主光线：通过入瞳中心的光线叫主光线。 主光线不仅通过入瞳中心也通过孔径光阑中心及出瞳中心。 2、相对孔径（相对孔径（ D入 ）） ：系统的入瞳直径与系统的焦距之比； f f D入 3、光瞳数（光瞳数（F F 数）数） ：相对孔径的倒数即，K 4 4、数值孔径、数值孔径 NANA：NA＝n1sinU1，物方孔径角的正弦与物方折射率之积。 §§4 4－－3 3视场光阑视场光阑 一、视场度量的二种方式一、视场度量的二种方式 1 1、线视场、线视场 物方线视场2y――二倍的物高； 像方线视场2y ――二倍的像高。 视场光阑多为矩形、方形及圆形。若为圆形，用直径度量；但若为矩形，应 用对角线来表示。这就是线视场的度量。 2 2、视场角、视场角 物方视场角――2 像方视场角――2 对不同的物面上的点其视场角不相同。 注意： 1）方视场角定义的时候是2，很多情况下，我们都用半视场来表示。 2）场角也有符号，它也遵循符号原则。 二、入射窗、出射窗二、入射窗、出射窗 1、入射窗：、入射窗：视场光阑经前面的光组在物空间所成的像； 2 2、出射窗：、出射窗：视场光阑经后面的光组在像空间所成的像； 入、出射窗之间是共轭的，也可以将出射窗看作是入射窗经系统所成的像。 3 3、判断入射窗的方法：、判断入射窗的方法： 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对入（出）瞳中 心的张角，其中张角最小者为入射窗（出射窗） 。 三、渐晕三、渐晕 1 1、定义、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这种现像。 为了说明这个问题，用图来表示一下 (b) P P1 1 镜框 P P 1 1 Q Q1 1 L L2 2 O O2 2 B B y y F F A A A A -y -y B B O O1 1 L L1 1 P P Q Q Q Q2 2 P P 2 2 镜框 P P2 2 图 4—5轴外光束的渐晕 实际上，渐晕现像是普遍存在的，我们用不着片面的消除渐晕。一般系统允 许有 50％的渐晕（拦一半） ，甚至 30％的渐晕。 2 2、消除渐晕的条件、消除渐晕的条件 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。 3 3、线渐晕系数、线渐晕系数 线渐晕系数表示式为：K 2b 2h 式中，2b 是轴外点发出光束的宽度；2h 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） ； 若 2b,2h 在入瞳面内度量，则上式变为：K   D ，分子是斜光束在入瞳平 D 面上垂直于光轴方向上的宽度；分母是入瞳直径。 §§4 4－－4 4景深景深 一、一、 景深景深 1 1、定义：、定义：在景像平面上所获得成清晰像的空间深度（） 2 2、产生原因、产生原因：接收器件本身不完善性造成的（衍射的影响） 。 B B1 1 对准平面 景象平面 B“B“2 2 z z2 2 入射光瞳出射光瞳 z z 2 2 A A P P1 1P P 1 1 2a P PP P B B2 2 △2 A A B B 1 1 p p 1 1 p p p p 2 2 z z 1 1 P P2 2 -p-p2 2 -p-p z z1 1 △1 P P 2 2 -p-p1 1 图 4—6景深 假设现有一物面，根据共线成像理论，那么它经系统成像有个共轭面。称此 物面为对准平面，像面为景像平面。现取物面上一点A，它发出的光经系统成像 后，一定会聚于共轭面上一点，它们是一对共轭点。有一物点 B1不在对准平面 上，那么按照共线成像理论，其共轭点也一定不在景像平面上， B1点发出的光 在对准面上成一弥散斑，而在景像平面上也成一弥散斑。如果我们仍在景像平面 进行观察 B1不能成清晰像。这是从原理上进行分析，但实际上由于景像平面作 为接收器来说可能有缺陷，从而导致 B1点也被认为成像清晰。 相类似的，再取空间任一点 B2，若它在景像平面上也成一足够小的弥散斑， 则系统也将认为它能