第5章光学系统中成像光束的选择ppt课件.ppt

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1、第五章光学系统中成像光束的选择5.1光阑及其作用由物面上一点发出的能进入系统的光束，其立体角决定于透镜或其它光学零件的尺寸，因此，透镜框，棱镜框，平面镜框等就是限制光束的光孔，也可称为光阑，其内孔大小即为“通光口径”。光学系统中单用透镜或者棱镜框来限制光束是不够的，因此，许多光学系统中还设置了一些专门的光阑，它由带孔的金属薄片构成。光阑的通光孔一般为圆形，其中心和光轴重合，光阑平面和光轴垂直。光阑按其作用可分为孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑和消杂光光阑等几种。1孔径光阑：它是限制轴上物点成像光束立体角的光阑。如果在过光轴的平面上来考察，这种光阑决定轴上点发出的平面光束的孔

2、径角。孔径光阑有时也称为有效光阑。孔径光阑的位置在有些光学系统中是有特定要求的。如目视光学系统，光阑或者光阑的像一定要在光学系统的外边，以使眼睛的瞳孔可以与之重合，达到良好的观察效果。又如在光学计量仪器中为了达到精确的测量，光阑常放在物镜的焦平面上，以形成所谓的“远心光路”。一般来讲，光学系统中的光阑位置是可以任意选择的，但合理地选取光阑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，就等于在该光束中选择不同部分的光束成像，即可选择成像质量较好的那部分光束。2图5-1如图5-1所示，当光阑在位置1时，轴外点B以光束BM1N1成像，而光阑在位

3、置2时，则以光束BM2N2成像，这样就可以把成像质量较差的那部分光束拦掉，必须指出，光阑位置改变时，应相应的改变其大小以保证轴上点的光束孔径角不变。此外，在保证成像质量的前提下，合理地选择光阑位置，可以使整个光学系统的零件尺寸减小，系统结构匀称。由上图可以看出，光阑在位置2时所需的透镜孔径小于在位置1时所需的孔径。3作为观察用的光学系统，如放大镜、望远镜等目视光学系统，一定要把眼睛的瞳孔作为整个系统的一个光阑来考虑。视场光阑：它是决定物平面上或物空间中成像范围的光阑。孔径光阑和视场光阑是光学系统中主要的光阑，任何系统都有这两种光阑。消杂光光阑：这种光阑不限制通过光学系统

4、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光和仪器内壁反射的光等，这些光称为杂光。利用消杂光光阑可以拦掉一部分杂光。4杂光进入光学系统，将使相面产生明亮背景，使像的衬度降低，这是非常有害的。一些重要的光学系统，如天文望远镜、长焦距平行光管等，均安置有消杂光光阑，这种光阑在一个光学系统中可以有几个，如图5-2所示。而在一般光学系统，常把镜管内壁加工成内螺纹，并涂以黑色无光漆或煮黑来达到消杂光的目的。图5-25图5-36由图5-4可以看到，这时斜光束的宽度就要比轴上点的光束宽度小，因此像平面上边缘部分就比像面中心暗。这种现象称为“渐晕”。假定轴向光束

5、的口径为D，视场角为w的斜光束在图5-4子午截面内的光束宽度为Dw，则Dw与D之比称为“渐晕系数”，用K表示：（5-1）7为了缩小光学零件的外形尺寸，实际光学系统中视场边缘一般都有一定的渐晕。视场边缘的渐晕系数有的达到0.5，即视场边缘成像光束的宽度只有轴上点光束宽度的一半。5.2孔径光阑和视场光阑的确定方法孔径光阑和视场光阑是光学系统中都有的两种主要光阑。当系统个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、确定孔径光阑的方法设光组有三个零件，透镜O1O2和光孔P1P2物点为A，如图5-5所示。首先，将系统中所有光学零件的光孔，分别通过前面的光学零件成

6、像到整个系统的物8图5-5空间。透镜O1成像到物空间就是本身，光孔P1P2，透镜O1通过透镜O1成像为O2，用计算方法确定其位置和大小。9第二步，由物面中心A点，对各个像的边缘引直线，计算个直线与光轴夹角的大小。入射光瞳必然是其中对物面中心的张角为最小的一个，该角即为物方孔径角U。图中P'1P'2即为入射光瞳。因此，入瞳P1'P2'对应的物P1P2即为孔径光阑。若物体位于无限远，无法比较各光学零件通光孔经前面光学零件所成像对物点张角的大小，此时仅比较各个像本身的大小，其口径最小者即为入射光瞳入射光瞳。显然，确定孔径光阑的方法，也可以先确定出射光瞳，即所有光学零件的通光孔

7、经后面的光学零件成像到像空间，则出射光瞳对像面中心的张角为最小。10如果透镜O1和O2完全相同，并对称于光阑位置，显然其入射光瞳和出射光瞳的大小和倒正都一样，即入瞳和出瞳之间的倍率为+1.因而结构对称于光阑的对称式系统，其入射光瞳面和出射光瞳面分别与光学系统的物方主平面和像方主平面重合。入瞳的大小是由光学系统对成像光能的要求或者对物体细节的分辨能力（分辨率）的要求来确定。常以入瞳直径和焦距之比D/f'来表示，称为相对孔径，它是光学系统的一个重要性能指标。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