工光光学系统的光束限制

工光光学系统的光束限制第一页，共三十九页，2022年，8月28日本章内容渐晕光阑及场镜的应用4概述1孔径光阑2视场光阑3景深和远心光路5第二页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/42设计时，光学系统对于要求成像范围以内的物点，以要求的孔径角光束成像。D和2u大，传过的能量多，分辨率高2y大，成像范围大理论上希望大些，但会引起像差，反而使像的质量差，因此要给予适当的限制透镜的大小限制A点发出的光束孔径角底片的大小限制成像范围都是对光束的限制，称光阑第三页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/431.光阑的定义：§5.1概述光学系统中，对光束起限制作用的光学元件称为光阑。光阑一般都是垂直于光轴放置的，且其中心与光轴中心相重合2.光阑的形状：光阑的形状包含了圆形，正方形，长方形，有些光阑的尺寸大小是可以调节的。3.光阑的作用：光阑用于限制成像光束的大小光阑用于限制成像的范围。第四页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/444.光阑的分类1.孔径光阑光学系统中用于限制成像光束大小的光阑称为孔径光阑。描述成像光束大小的参量——孔径。近距离物体成像——孔径角限制轴上点成像光束中边缘光线的最大倾角（孔径角）。远距离物体成像——孔径高度限制平行入射的成像光束的最大高度。孔径光阑的位置——随系统而异有特定要求的，如目视光学系统，孔阑或孔阑的实像一定要在外面，眼睛能与之重合，以接受全部成像光束；远心光学系统，孔阑在焦平面上。其他的，可以选择，以改善成像质量。第五页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/452.视场光阑光学系统中用于限制成像范围大小的光阑称为视场光阑。描述成像范围大小的参量——视场。限制物平面或物空间中多大范围能被成像。近距离物体成像——物高远距离物体成像——视场角

视场光阑的位置一般设在实像平面或中间实像平面上。有时也设置在物面上。第六页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/463.渐晕光阑光阑以减小轴外像差为目的，使物空间轴外点发出的、本来能通过孔径光阑和视场光阑的成像光束只能部分通过，称渐晕光阑。渐晕光阑的设置使得轴外物点通过系统的光束小于轴上物点，其主要目的是为了改善轴外点的成像质量或减小部分光学元件的横向尺寸。4.消杂光光阑用于限制一些非成像光线的光阑称为消杂光光阑。只对那些从视场外射入系统的光能和由镜头内部的光学表面、金属表面及镜筒内壁的反射和散射所产生的杂散光起部分限制作用。大型光学仪器，必须设置专门的消杂光光阑一般光学仪器，将镜筒内部车成螺纹，并涂黑或作发黑处理来减少杂散光的影响。第七页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/47何为孔径光阑要依当时的条件而定。物体位置变了，孔径光阑可能会变。当物体位置一定时，有一个光孔最限制成像光束的宽（角）度——孔径光阑一个光学系统有若干个透光孔，何为孔径光阑——限制成像光束的最大光束的光孔错误观点1：第一个光孔是孔径光阑错误观点2：光孔小的是孔径光阑假设同在物空间有三个光孔？§5.2孔径光阑第八页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/48怎样找？应使所有光孔处于同一空间判断孔径光阑的步骤：（1）首先求出所有通光阑在系统物方的共轭“像”（位置和大小）。即对每一光阑，按从右到左，被其左方的光学系统成像，得到所有光阑在物方空间的共轭“像”。（2）确定这些共轭“像”在物方的光束孔径角（当物在无限远时，确定所允许的光束高度），即计算给定的轴上物点对各光阑在物方的共轭“像”边缘的张角。（3）比较得出其中最小的孔径角（物在无限远时为最小的孔径高度）所对应的光阑，该器件即为所求的孔径光阑。第九页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/49第十页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/410第十一页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/411第十二页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/412入射光瞳和出射光瞳孔径光阑在光学系统的物空间的共轭像称为入射光瞳，简称入瞳；孔径光阑在光学系统的像空间的共轭像称为出射光瞳，简称出瞳；孔径光阑、入瞳、出瞳三者互为共轭关系，它们对成像光束的限制作用是等价的。第十三页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/413入瞳孔阑出瞳孔阑前的光学系统共轭孔阑后的光学系统共轭共轭入射光瞳出射光瞳物方孔径角像方孔径角入瞳和出瞳的图解法第十四页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/414入射光瞳出射光瞳物方孔径角像方孔径角通过入瞳中心的光线必通过孔阑中心，并过出瞳中心。通过入瞳边缘的光线必通过孔阑边缘，并过出瞳边缘。物方孔径角2U，像方孔径角为2U'，2U最小，2U'也必最小。入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口；出瞳是物面上各点发出光束经整个光学系统以后从最后一个光孔出射的共同出口。第十五页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/415孔径光阑或入瞳或出瞳的位置在一些光学系统中有特殊要求。如显微镜、望远镜等目视光学系统中，要求出瞳与人眼的入瞳重合，处于目视光学系统以外；远心光路则要求出瞳处于焦点，以减小测量误差等。物点与入瞳中心的连线称主光线。主光线也通过孔阑和出瞳的中心。主光线和光轴的夹角称为视场角w。

入射光瞳出射光瞳物方孔径角像方孔径角第十六页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/416视场光阑在光学系统中起着限制成像范围（或称视场大小）的作用。一般情况下，视场光阑多设置在像面或物面上，有时也设在系统成像过程中的某个中间实像面上。物或像的大小直接受视场光阑口径的限制，视场光阑口径以外的部分将被阻挡而不能成像，系统成像的范围有着非常清晰的边界。视场光阑的大小通常由光学系统的设计要求来决定。§5.3视场光阑第十七页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/417视场光阑在光学系统的物空间的共轭像称为入射窗，简称入窗；视场光阑在光学系统的像空间的共轭像称为出射窗，简称出窗；视场光阑、入窗、出窗三者互为共轭关系，它们对视场的限制作用是等价的。入射窗和出射窗第十八页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/418视场范围的计算第十九页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/419渐晕的概念及渐晕系数由轴外物点发出并充满入瞳的光束，有一部分光被系统后面的光阑阻挡而不能到达像面，这种使轴外物点光束被限制的现象称为渐晕。当视场光阑与物面或像面不重合时，视场必然产生渐晕。光孔离孔阑越远越易引起渐晕第二十页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/420第二十一页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/421渐晕系数面渐晕系数=轴外点光束在入瞳上的截面积／入瞳面积线渐晕系数=轴外点光束在入瞳上的高度／入瞳直径用什么来描述渐晕严重程度第二十二页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/422KD=1，这以内是无渐晕成像范围，充满入瞳的光全通过，像面照度均匀KD=0.5，恰使主光线通过，半渐晕KD=0，最大成像范围第二十三页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/423第二十四页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/424讨论：当孔阑变小时，被拦的光线增多，轴外点能通过的光能减少。当孔阑大小→0时，物面上所有点只有一条主光线通过。第二十五页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/425当一个光学系统无视场光阑时：将所有光孔投射到第一个光孔的物空间时，对入瞳中心张角最小的那个光孔“像”所共轭的光孔称渐晕光阑；将所有光孔投射到最后一个光孔的像空间，对出瞳中心张角最小的那个光孔“像”所共轭的光孔称渐晕光阑；当孔径光阑无限小时，渐晕光阑直接限制了成像范围，因此过去也称其为“视场光阑”，称其像为“入射窗”、“出射窗”。当一个光学系统有视场光阑时：也可能有渐晕光阑，此时渐晕光阑起拦光作用。为什么叫渐晕光阑因为它所限制的视场边界是不清晰的第二十六页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/426两个问题是否所有光学系统都要无渐晕当孔径和视场都较大时，无渐晕既无必要也不可能。因为远离孔阑的透镜直径不能做得太大，且适当拦掉偏离理想成像状态较远的即像差较大的轴外光束有利于改善像质。故常有适当渐晕。一般允许50%，必要时30%。渐晕光阑是否只有一个渐晕光阑的像在入瞳后，拦上光线渐晕光阑的像在入瞳前，拦下光线以上是单向拦光，相当于孔阑位于光学系统之外。但孔阑在光学系统内部时，可能有两个渐晕光阑，一个拦上光线，另一个拦下光线。特别是全对称系统，必有两个渐晕光阑。§5.4渐晕光阑及场镜的应用第二十七页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/427第二十八页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/428第二十九页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/429第三十页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/430第三十一页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/431有的光学系统不允许有渐晕，又不希望透镜有过大的口径，通常采用场镜来实现这一目的。场镜就是在系统的中间像面或其附近加入的正透镜，场镜能够改变成像光束的位置，而不影响系统的光学特性。无限远物体经物镜所成的像要恰好落在场镜的物方主面上，通过场镜所成的像在场镜的像方主面上，大小相等，所以场镜的加入不影响系统的光学特性，但场镜对轴外物点的光线产生作用，降低了它们射向目镜时的高度，由此，目镜的口径可以因此而变小。第三十二页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/432某些光学系统要求部分空间或整个空间成像于一个像面上，这可能吗？§5.5景深和远心光路第三十三页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/433某些光学系统要求部分空间或整个空间成像于一个像面上，这可能吗？为什么看照片时无立体感，远近皆清楚？理论上，只有共轭的物平面才能在像平面上成清晰像，其他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，人眼看起来仍为一点。此时，该弥散斑可认为是空间点在平面上的像。入瞳出瞳§5.5景深和远心光路第三十四页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/434对准平面远景平面近景平面景像平面远景深近景深第三十五页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/435远心光学系统远心光学系统——孔阑设于焦平面上物方远心光路——孔阑与F'重合，入瞳位于物方无穷远，物方主光线平行于光轴。像方远心光路——孔阑与F重合，出瞳位于像方无穷远，像方主光线平行于光轴。第三十六页，共三十九页，2022年，8月28日2023/2/436测量用光学系统——测AB长度A'B'hhA1B1A1'B1'B'A'A1'B1'若调焦于A1B1，将在分划板上得弥散斑，量得的长度h比A'B'略长。AB分划板A1B1AB分划板像面与分划板不重合的现象——视