应用光学简明教程 课件【ch05】光学系统中的光阑

应用光学简明教程光电&仪器类专业教材光学系统中的光阑第五章光阑在光学系统

中的作用01一、光阑在光学系统中的作用1.孔径光阑孔径光阑也称有效光阑。光学系统横向尺寸影响孔径光阑的位置在光学系统中有特定的要求。在有些光学系统中，合理地选择光阑的位置可以改善轴外点的成像质量；因为对于轴外点发出的宽光束而言，不同的光阑位置在不改变轴上点光束的前提下，选择不同部分的光束参与成像，即可以选择成像质量较好的那部分光束。一、光阑在光学系统中的作用2.视场光阑安置在物平面或者像平面上限制成像范围的光阑，称为视场光阑。例如，照相系统、摄影系统中专门安置的片门，多为方形或长方形；

又如，测量显微镜的分划板，也为视场光阑。视场光阑的形状是根据光学系统的用途确定的。一、光阑在光学系统中的作用3.渐晕光阑如图5.2所示，透镜框Q1Q2作为孔径光阑，限制了轴上点A发出的光束，即点A以充满孔径光阑的光束成像。设在孔径光阑之前有光阑M1M2，

对轴上点光束没有限制，但对由轴外点B发出的充满孔径光阑的光束有限制作用，如图5.2.上阴影线部分是被光阑M1M2拦掉的部分光束。轴外光束被拦截的现象称为“渐晕”，产生渐晕的光阑称为“渐晕光阑”。渐晕光阑多是透镜框。允许渐晕存在还可使光学系统的外形尺寸有所减小。一、光阑在光学系统中的作用4.消杂光光阑光学系统除通过成像光束外，还会有一部分非成像物体发出的光进入光学系统，由仪器内壁反射而投射到成像面上。另外，成像光束在透过光学零件成像的同时，还有一部分被折射面反射，经多次反射后也会投射到像面。这些光称为杂光或杂散光。杂光投射入系统后均匀地分布在成像面上，可能淹没了衬度低的部分，有损于成像质量。安置消杂光光阑可以拦掉一部分杂光，如图5.3所示。光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳02二、光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳图5.4中Q1QQ2就是这样的光孔。将此光孔通过其前面的透镜成像P1PP2到物空间去，其决定了光学系统的物方孔径角U。该限制轴上点光束孔径角的光孔像P1PP2称为入射光瞳，简称入瞳。光孔Q1QQ2就通过其后面的透镜在像空间所成的像P1’P’P2’决定了系统像方孔径角U'，称为出射光瞳，简称出瞳。与入射光瞳、出射光瞳对应的那个实际起着限制作用的光孔Q1QQ2即为孔径光阑。1.孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳二、光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳2.孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳之间的关系，主光线通过入射光瞳中心的光线称为主光线。对于理想光学系统，主光线也必然通过孔径光阑和出射光瞳中心。主光线是物面上发出充满光学系统入射光瞳的成像光束的轴线。由物方视场边缘发出通过入射光瞳中心的近轴光线，称为第二近轴光线。因为近轴光计算具有理想光学系统计算的性质，故其必然通过孔径光阑中心和出射光瞳中心。由出射光瞳射出后的光线和高斯像平面的交点的高度为理想像高。二、光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳3.以光瞳中心为坐标原点的物像关系由图5.8可知，以光瞳中心为坐标原点的物像共轭点A1和Ak‘的位置分别以p和p’表示；xz和xz’，分别是以光学系统的前、后焦点为坐标原点所表示的入射光瞳和出射光瞳的位置。这就是入射光瞳中心为坐标原点的物像位置关系公式，或称以光瞳中心为坐标原点的高斯公式。视场光阑03三、视场光阑理想光学系统的物、像方线视场的关系为物、像方视场角之间由光瞳处的角放大率γ联系起来，即渐晕光阑04四、渐晕光阑如图5.9所示，两个透镜分别位于孔径光阑的两侧。由轴外点B发出充满入射光瞳的光東，其下面一部分被透镜L的镜框拦掉(阴影部分)，其上面一部分被透镜L2的镜框拦掉(阴影部分)。只有中间一部分光束可以通过光学系统成像。轴外点成像光束小于轴上点成像光束，使像面边缘光照度有所下降。这种轴外点光束被部分地拦掉的现象称为轴外点的渐晕。轴外点发出光束的渐晕01四、渐晕光阑显然，物点离光轴越远，渐晕越大，其成像光束的孔径角越小于轴上点成像光束的孔径角。对轴外点光束产生渐晕的光阑，如图5.9中的透镜L1和L2即为渐晕光阑。在一个光学系统中可以有一个渐晕光阑，也可有两个渐晕光阑。渐晕光阑对其前面光学系统在物空间所成的像，称为入射窗。其在物空间中对轴外光束起拦截作用，产生渐晕。渐晕光阑对其后面部分光学系统所成的像，称为出射窗。轴外点发出光束的渐晕01四、渐晕光阑为说明渐晕的形成，略去光学系统其他光孔，仅画出物平面、入射光瞳平面和入射窗平面来分析物空间轴外光束渐晕(如图5.10所示)。可以分三个区域来讨论。轴外点发出光束的渐晕01第一个区域是以AB1为半径的圆形区。B1点是由入射光瞳的下边缘P2与入射窗的下边缘M2的连线与物平面的交点。在这个区域内，每一个点均以充满入射光瞳的全部光束成像。在入射光瞳平面上的成像光束如图5.10(a)所示。四、渐晕光阑轴外点发出光束的渐晕01第二个区域是以B1B2绕光轴旋转一周所形成的环形区域，此区域的边缘点B2是由入射光瞳中心P和入射窗的下边缘M2的连线与物平面相交确定的。在此区域内，已不能使所有点以充满入射光瞳的光束通过光学系统成像。在子午面内，由点B1到点B2，通过入射光瞳的光東由100%到50%渐变，这就是轴外点的渐晕。四、渐晕光阑轴外点发出光束的渐晕01第三个区域以B2B3绕光轴旋转一周所得到的环形区域。点B3是由入射光瞳的上边缘P1和入射窗的“下边缘M2的连线和物平面相交确定的。在此区域内各点的光東渐晕更为严重，由点B2

到点B3，通过入射光瞳的成像光束由50%到0。四、渐晕光阑轴外点发出光束的渐晕01上面讨论的三个区域只是大致的划分。实际上，在物平面上由点B1到点B3是渐变的，没有明显的界限。平面上第一个区域所成的像，光照度最大，而且均匀。从第二个区域开始，像的光照度逐渐下降，一直到零。整个视场内光照度是逐渐变化的。四、渐晕光阑轴外点发出光束的渐晕01渐晕光阑多是透镜框子。在光路计算时，最大视场的轴外光束的上、下边缘光线在各个透镜或光组上有不同的投射高度，即组成该光学系统的各个透镜或光组应有不同大小的通光直径。如果使某一两个透镜或光组的直径减小，则轴外光束将被部分地拦截，这些透镜或光组的金属框就是渐晕光阑。四、渐晕光阑消除渐晕的条件02光学系统也可以不存在渐晕，为了证明不存在渐晕的条件，如图5.13所示。由图5.13可得以下关系：这有两种可能：一种可能是没有渐晕光阑，只有视场光阑；另一种可能是所讨论的光阑通过光学系统的前面部分成像在物平面，通过系统的后面部分成像在像平面。四、渐晕光阑渐晕系数03为从数量上估计渐晕，定义线渐晕系数(常称为渐晕系数)为式中，2b为子午面内斜成像光束(轴外点发出的光束)的宽度，2h为子午面内轴上点光束的宽度。2b和2h都是在垂直于光轴的方向量度的。如果2b和2h均在入射光瞳平面上度量，此时式中，Dω为斜光束在入射光瞳平面上垂直于光轴方向的宽度。1.线渐晕系数四、渐晕光阑渐晕系数032.几何渐晕系数光学系统的景深05五、光学系统的景深如图5.14所示，B1，B2，B3，B4为空间的任意点，点P为入射光瞳中心，点P'为出射光瞳中心，A'B'为像平面，称为景像平面。在物空间与景像平面相共轭的平面AB称为对准平面。光学系统的空间像01五、光学系统的景深光学系统的空间像01物方空间点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，使空间点投影在对准平面上，再成像在景像平面上。或者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在景像平面上，也可形成空间物点的平面像。如果入射光瞳位置相对于物方空间点(即景物)位置发生变化，则景像也随之变化。五、光学系统的景深光学系统的空间像01在用广角物镜拍摄物体时，若物体为一系列球状体，如图5.16所示，它们对入射光瞳中心均张以相同的圆锥状立体角，顶点为入射光瞳中心，这些圆锥状光束的共轭光束也为圆锥状。每一个圆锥状光束的轴线以不同的角ω'交于景像平面，ω'的最大值为物镜像方全视场角的一半。由图5.16可知，锥状光束在景像平面上的截面将随ω'的不同而不同，该现象称为景像畸变，将圆形变成椭圆形；越在视场边缘，这种现象越严重。五、光楔在景像平面上所获得的成清晰像的空间深度称为成像空间的景深，简称景深。能成清晰像的最远的平面称为远景，成清晰像的最近的平面称为近景，它们距对准平面的距离分别称为远景深度和近景深度。显然，景深△是远景深度△1和近景深度△2之和，即△=△1+△2。远景平面、对准平面和近景平面到入射光瞳的距离分别用表示，并以入射光瞳中心点P为坐标原点，则上述各值均为负值。光学系统的景深02五、光楔在像空间对应的共轭p1，p和p3面到出射光瞳的距离分别用p1'，p'和p2'表示，并以出射光瞳中心点p'为坐标原点，所有这些值均为正值。可见，景像平面上弥散斑的大小除了与入射光瞳的直径有关，还与距离p，p1和p2有关。弥散斑直径的允许值取决于光学系统的用途。光学系统的景深02五、光楔如图5.18所示，眼睛在R处，为了得到正确的透视，景像平面上像y’对点R的张角ω'应等于物空间共轭物y对入射光瞳中心P的张角ω，即光学系统的景深02远心光路06六、远心光路1.物方远心光路一般是使整个光学系统相对于被测物体进行调焦，以物体的像和刻尺平面重合，但欲调焦到像平面和刻尺平面精确重合是不可能的，这就难免产生一些误差，像平面和刻尺平面不重合的现象称为“视差”。由视差引起的测量误差可由图5.19来说明。六、远心光路1.物方远心光路如图5.20所示，光阑也是物镜的出射光瞳，则由物镜射出的每一光束的主光线都通过光阑中心所在的像方焦点，而物方主光线则是平行于光轴的。刻尺平面上投影像两端的两个弥散斑中心的主光线仍通过点M1和点M2，按此投影读出的长度仍为M1M2。这就是说上述调焦稍有不准并不影响测量结果。因为这种光学系统物方主光线平行于光轴，主光线的会聚中心位于物方无限远，故称之为物方远心光路。六、远心光路2.像方远心光路如图5.21所示，光阑也是入射光瞳，此时进入物镜的光束的主光线都通过光阑中心所在的物镜物方焦点，则这些主光线在物镜像方平行于光轴。因为这种光学系统的像方主光线平行于光轴，其会聚中心在像方无限远，故称之为像方远心光路。消杂光光阑07七、消杂光光阑1.杂散光的产生及其影响杂散光是通过光学系统投射到像平面上不参与成像的有害的光。产生这些有害光的原因，首先由仪器镜简内壁表面反射后通过光学系统的出射光瞳射向像面；其次是成像光束及非成像光束通过光学零件折射面时，一部分光反射回到仪器内壁表面，或在光学零件的两个折射面间多次反射和折射产生杂散光；还有光学零件表面划痕、麻点、抛光不够，光学材料内部条纹及杂质和光学零件的粗糙的非工作面的散射等引起的杂散光。这种杂散光直接降低了光学系统的成像质量。七、消杂光光阑1.杂散光的产生及其影响杂散光可分为一次、二次和高次杂散光。凡由仪器内壁表面、镜框、光学零件表面及其他能产生杂散光的表面由一次反射或散射产生的射向成像面的，而且在视场角以内的非成像光线，即为一次杂散光。一次杂散光再经仪器内壁表面等的反射或散射所产生的射向像面的光