光学系统中的光束限制.ppt

前一课小结 透透 镜镜 单透镜：单透镜： 两光组的组合两光组的组合 薄透镜薄透镜 本课提纲 一、孔径光阑 1、孔径光阑的定义、作用和判断方法； 2、入瞳、出瞳的定义、性质和求解方法； 二、视场光阑 视场光阑的定义、判断方法、视场大小的确定方法。 三、渐晕光阑 了解渐晕光阑的定义和判断方法。 四、景深 五、几何像差 第九章 光学系统像差基础 光学系统除满足物像共扼位置和成像放大率 的要求外，还要有一定的成像范围，以及为获得 一定的像面照度和反映物面细节的能力,在成像 范围内各物点应具有适当的光束口径，这就是光 束限制的问题。 实际光学系统与理想光学系统不同，其参与 成像的光束宽度和成像范围需要限制: (1) 自然限制：光学元件的有限尺寸； (2) 人为限制：金属圈(框)或成像底片。 第一节 光学系统中的光阑及其作用 怎样合理限制光束以满足成像要求，解决横 向和纵向成像范围，像面清晰度和亮度均匀性， 像差，观察效果等问题，是通过光学系统各零件 一定的横向尺寸来实现的，均与光阑有关，或者 说，光束限制是通过“光阑”来实现的。 光阑 光学系统中的通光孔， 或：限制成像光束孔径角的光学元件。 在光学系统中，用于限制成像光束口径、或者限制 成像范围的光孔或框，都统称为“光阑”。 作用：1. 限制成像光束孔径角大小；2. 限制和选择轴 外点成象光束； 3. 控制光通量；4. 挡掉杂散光 一、光阑分类 按作用 可分为： 孔径光阑 限制轴上点成像光束孔径角的大小 视场光阑 限制横向视场的大小 渐晕光阑 产生像面亮度渐晕(即亮度渐弱) 消杂光光阑 消除杂散光 孔径光阑和视场光阑是任何光学系统都有的两种 主要光阑。 二、孔径光阑：在光学系统具有的多个光阑中，限制 成像光束口径大小的光阑（限制作用 最大），也称为“有效光阑”。 作用：限制和选择成像光束，调节入射光能和像质； 特点：总有且只有一个通光孔是孔径光阑。 影响：像面亮度，清晰度，景深，像差，观察效果等。 l孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在物空间所成的像 称为入射光瞳，简称入瞳，它是入射光束的入口。 l孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在像空间所成的像 称为出射光瞳，简称出瞳，它是出射光束的出口。 入瞳、出瞳及其共轭关系 显然，入射光瞳、孔径光阑、 出射光瞳三者是相互共轭的。 对整个光学系统来说，出射光瞳也是入射光瞳的 像，二者对整个光学系统是共扼的。 若孔径光阑的位置对整个光学系统而言， 孔径光阑位于光学系统的最前端，则孔径光阑就 是入瞳； 若孔径光阑位于光学系统的最后端，则孔径光阑就 是出瞳。 入瞳:它决定了光学系统物方的成像光束的孔经角,可 看成成像光束的公共的入口。 出瞳:它决定了光学系统像方的孔径角，可看成成像 光束的公共出口。 在实际光学系统中，孔径光阑的位置和大小， 亦即入射光瞳或出射光瞳的位置和大小是十分重 要的参量。 孔径光阑的大小是由光学系统对成像光能量 的要求和对物体细节的分辨能力的要求而决定。 孔径光阑的位置则直接影响光学系统成像的 清晰度和光学系统中各零件的尺寸。 孔径光阑对入射光束有很直接的选择作用，对于 轴上物点和轴外物点，其限制或选择作用不同。 孔径光阑的位置在有些光学系统中有特定的要 求，如目视光学系统，出射光瞳一定要在系统外， 以便与眼瞳重合，达到良好的观察效果。 如无特殊要求，光学系统中孔径光阑位置的合 理选择可以对光学零件口径提出合理的要求。 孔径光阑位置对光学零件口径的影响 光学系统中孔径光阑位置的合理选择也可以改 善轴外点成像光束的质量： (a) (b) 孔径光阑对轴外点光束的限制： 孔径光阑对轴上 点光束的限制： 光学系统能够清晰成像的范围也是有限 的，能清晰成像的范围在光学系统中称为视 场，视场的大小也有相对应的光阑来加以限 定，这种光阑称视场光阑。 三、视场光阑 实像面上的通光孔限制了 物空间垂轴方向成像范围 特点：可能有，可能没有；若有，则只有一个。 一般设在实像平面上。其形状根据系统的要求 为圆形(如显微，望远等系统)或方形、矩形(如照相系 统)等形状。 注：通过入瞳中心的光线称为主光线，它也同时通过孔经光阑和出射光瞳中心。 对理想光学系统而言，主光线（或主光线的延长线）必通过入瞳、孔径光阑 和出瞳的中心。 视场光阑经其前面光学系统成的像称入射窗，简称入 窗；视场光阑经它后面光学系统成的像称出射窗，简称出 窗入射窗和出射窗对整个光学系统是共扼的。 实际光学系统中， 孔径光阑和视场光阑是同时存在的，由入瞳中心至 入射窗直径边缘所引连线的夹角，或者说，过入射窗边 缘两点的主光线间的夹角称为物方视场角，用2w表示; 同样，由出瞳中心至出射窗直径边缘所引连线的夹 角，也就是过出射窗边缘两点的主光线间的夹角称为像 方视场角，用2w 表示 当物体在无限远时，习惯用前面定义的视场角2w或2w 表示角视场当物体在有限距离时，习惯用入瞳(或出瞳)中心 与入窗(或出窗)边缘连线和物面交点之间的线距离来表示视场 ，称线视场2y(或2y) 无论是用角视场还是线视场来表示成像范围，其成像范围 的大小均由入射窗或出射窗的大小决定。 *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，以改善轴外物点成像质量及减小 仪器的径向尺寸。 导致像面亮度渐晕(即渐弱)的光阑， 或：限制轴外点成像光束宽度的光阑。 特点：可能有，可能没有；若有，则可能有多个。 亮度 A B C B C 高 低 渐晕光阑 渐晕：由于实际透镜的有限口径尺寸，轴外点光束 较之轴上点光束宽度小很多，导致像平面边缘部分 成像比中心部分暗的现象。 *消杂光光阑：仪器中能遮挡和吸收杂散光的元件 杂光最后进入成像面，将使像面叠加一明亮背景， 使像的衬度降低。为此需要利用消杂光光阑尽量把杂光拦 掉，起着改善像质的作用。 在一般光学系统中，常常采用把镜管内壁加工成内 螺纹并使其发黑等措施消杂光；对某些镜筒很长的重要光 学系统(如天文望远镜，长焦距平行光管等)，需要专门设 计消杂光光阑。 这种光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制 那些非成像物体射来的光、光学系统各折射面反射的光 和仪器壳体内壁反射的光。这些光称为杂光。 平行光管中的 消杂光光阑 复习、小结 * 光学系统中成像光束的选择 透镜是光学系统的基本组成部分，再加上 为了光路转折和转像而加入的反射棱镜等光学 零件，光学系统中限制光束的情况比较复杂。 如何选择成像光束的问题，直接影响到各 个光学零件尺寸和整个仪器的大小。在设计时 必须很好地考虑。 ？ 假设物空间有三个光孔 a b c A() BC 确定孔径光阑一定要根据轴上点位置来确定 一个光学系统有若干个透光孔，何为孔径光阑？ 限制轴上点成像光束孔径角的光孔。 常见错误：1、光孔小的为孔阑； 2、第一个光孔为孔阑。 当系统各光学零件的位置和大小已知后，哪当系统各光学零件的位置和大小已知后，哪 一个是孔径光阑或视场光阑呢一个是孔径光阑或视场光阑呢? ? 怎样找？ Q Q1 Q2 AA -U 确定孔径光阑的方法： O1 P1 P2 Q Q1 Q2 O2 R1 R2 R2 R1 R 1、将所有光孔，成像到 整个系统的物方空间。 2、找出对物点张角最小的 像孔，该像孔所对应的 物孔，即为孔径光阑。 孔径光阑 在实际光学系统中寻求孔径光阑的方法步骤可 归纳如下： 首先将系统中所有光学元件边框和开孔屏的内孔， 经其前方的系统成像到整个系统的物空间； 然后比较这些像的边缘对轴上物点张角的大小，其 中张角最小者，即为入射光瞳；与入瞳共轭的实际光阑 即为孔径光阑。 特殊情况，如果物体或像在无限远，则入射光瞳或出 射光瞳就是光阑在物空间或像空间具有最小直径的像； 进入系统或出自系统的光束即由此两光瞳的直径确定。 在确定了孔径光阑后，众多光阑中寻求确定 视场光阑的方法如下： 首先将仪器中的所有光阑(包括透镜边框)经 其前方(或后方)系统成像在整个系统的物空间(或 像空间)， 然后，从系统的入瞳(或出瞳)中心分别向物 空间(或像空间)所有的光阑像的边缘作连线其 中张角最小的光阑像为入射窗(或出射窗)，与其 共轭的实际光阑即为视场光阑 Page431 例9-1 作业：Page4331，2，4 四、光学系统的景深 光学系统一般要求物方空间沿轴向有一定清晰范 围。可能吗？ 理论上，只有共轭的物平面才能在像平面上成清 晰像，其它物点所成的像均为弥散斑。但当此斑对眼 睛的张角 小于眼睛的最小分辨角1时，人眼看起来 仍为清晰一点。 此时，该弥散斑可认为是空间点在 平面上的清晰像点。 景深: 在景像平面上能获得清晰成像的空间深度称为成 像空间的深度。即当入射光瞳一定时，在此空间深度 内景物对一定分辨率的接收器可得清晰像。 B1 2 入瞳出瞳 A B2 B1 B2 A Z1 Z2 Z1 Z2 1 如图，当Z1和Z2小到可以看成一点时, 则从 B1到B2的空间深度范围内的物，均能在像平面上得到 清晰像。这个轴向空间深度叫景深。 远景平面:能成清晰像得最远平面; 近景平面:能成清晰像的最近平面; 远景深度:远景平面到对准平面的距离; 近景深度:近景平面到对准平面的距离; 景深:远景深度与近景深度之和. 对准平面 远景平面 近景平面 景像平面 远景深 近景深 2 入瞳 出瞳 A B1 B2 B1 B2 A Z1 Z2Z1 Z2 1 p p p1 p2 p2 p1 2a 第三节 像差基本概念 实际光学系统与理想光学系统有很大的 差异，即物空间的一个物点发出的光线经实 际光学系统后，不再会聚于像空间的一点， 而是一个弥散斑，弥散斑的大小与系统的像 差有关。 主要介绍实际光学系统的单色像差单色像差和色色 差差的基本概念。 像差：像差：实际像与理想像之间的差异称为像差 理想光学系统的物像关系：理想光学系统的物像关系：一个物点的理想像 仍然是一个点、从物点发出的所有光线通过光学 系统后都会聚于一点。 实际光学系统实际光学系统：需要一定的相对孔径和视场，这两 个因素与系统的功能和使用价值紧密相连。因此，实 际的光路计算，远远超过近轴区域所限制的范围，物 像的大小和位置与近轴光学系统计算的结果不同。 七种几何像差 单色光成像会产生性质不同的五种像差，即球 差、慧差(正弦差)、像散、场曲和畸变，统称为单 色像差。 白光进入光学系统后，由于折射率不同而有不同 的光程，这样就导致了不同色光成像的大小和位置也 不相同，这种不同色光的成像差异称为色差。色差有 两种，即位置色差和倍率色差。 波动光学理论，实际的光学系统由于像差的存在， 经光学系统形成的波面已不是球面，这种实际波面与理 想球面的偏差称为波像差，简称波差。 一、球差 轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是 同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置， 相对近轴像点(理想像点)有不同程度的偏离，这种偏 离称为轴向球差，简称球差。 由于球差的存在，在高斯像面上的像点已不是一个点，而是 一个圆形的弥散斑，弥散斑的半径大小，称作垂轴球差垂轴球差。 球差 的存 在引 起成 像的 模糊 球差的校正:共轴球面系统：单透镜不能校球 差，需正负透镜组合；减小光阑直径。 二、慧差（正弦差） 正弦差与慧差没有本质区别，二者均表示轴外物点 宽光束宽光束经光学系统成像后失对称的情况，区别在于正 弦差仅适用于具有小视场的光学系统，而慧差可用于 任何视场的光学系统。 具有慧差的光学系统，轴外物点在理想像面上形成 的像点如同慧星状的光斑，靠近主光线的细光束交于主 光线形成一亮点，而远离主光线的不同孔径的光线束形 成的像点是远离主光线的不同圆环，故这种成像缺陷称 为慧差。 正弦差越大，说明 小视场大孔径光线失对 称现象越严重。故视场 很小时就要考虑彗差。 减小彗差：彗差和透镜的形 状、物点的位置、光阑的 大小和位置有关： 物点及光阑的位置（同心 原则）：如光阑过单折射 面的球心时不产生彗差。 减小光阑直径 三、像散 如果物点离轴较远，入 射光束的倾斜较大，即使它 发出的是细光束细光束，经过系统 后不能交于一点，而是变成 像散光束，称为像散。 像散光束：与非球面波面元对应的细光束称为像 散光束，其特征是诸光线彼此不平行又不相交于一 点，而是会聚成两条相互垂直的短线。 B o S T B T S 当存在像散时，不同 的像面位置会得到不同 形状的物点像。图中示 出当系统具有像散时 不同像面位置物点的成 像情况。 四、场曲 垂直于光轴的一个平面物体，只有在旁轴区域内， 才近似地成像于一个平面。对于较大的物平面，经过光 学系统所成的清晰像面不是平面而是一个抛物面，称为 像场弯曲，简称场曲。 场曲和像散是两个不同的 概念，虽然像散必然 引起像面弯曲； 但像散为0 时，像面并不 是平的，而是相切与 高斯像面中心的二次 抛物面。 Bt Bs xs xt xts ls lt l B B0 A 五、畸变 当物体发出的光线和光轴成很大角度时，即使是很 窄的光束，像和物不能保持几何相似，这称为畸变畸变。 畸变是垂轴像差，只改变轴外物点在理想像面上 的成像位置，使像的形状产生失真，但不影响像的清 晰度。 由于畸变的存在，物方的一条直线在像方就变成了一 条曲线，造成像的失真。 畸变可分为枕型畸变和桶型畸变两种。造成畸变的原 因是镜头像场中央区的垂轴放大率与边缘区的垂轴放大 率不一致。 如果边缘放大率大于中央放大率就产生 枕型畸变，反之，则产生桶型畸变。 桶型畸变 枕型畸变 l如果一个光组未经任何校正，一般地说上述五种单色像 差将同时出现。但在一定条件下，也可能只有一种或几 种像差特别显著。例如物点在主光轴上时，其它像差都 不出现，只有球差单独出现。光束愈宽，球差愈显著； l近轴物点，除球差外，彗差将显著，哪怕光束不太宽， 彗差也比球差显著； l远轴物点，在细光束条件下，像散将显著，球差与彗差 都不显著； l至于场曲和畸变，仅在物面较大时才比较显著。 六、色差 光学材料对不同波长的色光有不同的折射率，一般情况 下，波长越短，折射率越大。 同一孔径不同色光的光线经光学系统后与光轴有不同的 交点。 不同孔径不同色光的光线与光轴的交点也不相同。 在任何像面位置，物点的像是一个彩色的弥散斑。 各种色光之间成像位置和成像大小的差异称为色差。 l色差分为位置色差和倍率色 差两种。前者是由于不同波长 的光线会聚点不同而产生彩色 弥散现象，后者是由于镜头对 不同波长的光的放大率不同而 引起的。 F D C 1 3 2 1、位置色差 轴上点两种色光成像位置的差异称为位 置色差，也叫轴向色差。 色差在近轴区也存在，所以它比球差更严 重地影响光学系统的成像质量。 同球差，不同的孔径有不同的位置色差。 校正色差一般通过选择透镜材料，正负透 镜组合 。 因系统的焦距或像距是曲率半径r、间距d和折射率 n的函数，而同一介质对不同的色光有不同的折射率。 对轴外物点，不同色光的垂轴放大率也不相等。这 种差异称为倍率色差或垂轴色差。 2、倍率色差 D C F YF YD YC yF