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时间:2019-03-08
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1、第四章光学系统中的光束限制§4-1光阑在光学系统中的作用设计系统时必须满足一定的要求,例如:1)放大倍率;2)所成的像位置;3)分辨能力;4)成像范围,这实际上就是一个如何来确定光学系统的横向尺寸的问题。为了满足诸多要求,需要专设一些光阑。一、光阑1、定义:1)光学系统中设置的带有内孔的金属薄片,是专用光阑。2)对光束起限制作用的孔径/框(例如:零件边框)也称为光阑。光阑一般垂直于光轴放置,且其中心与光轴中心相重合。2、形状:光阑多为圆形、正方形、长方形,有些光阑的直径/大小是可以调节的/可变的(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
2、小D=2mm,晚上最大,可达D=8mm这就是一典型的可变光阑。2、光阑作用―――是用内孔限制成像光束大小的,提高成像质量。孔径光阑图4—1孔径光阑对轴上点光束的限制现假若有一光束口径为D’,而透镜的通光口径为D,且有D'>D,由于入射光束本身的宽度明显大于透镜的尺寸,所以有一部分光不能进入系统参与成像,这里透镜起到了拦光的作用,即边框为光阑。二、光阑种类主要分为:孔径光阑和视场光阑,还有消杂光光阑(对杂散光起限制作用的光阑)、渐晕光阑(对轴外光束产生拦截作用的光阑)等。1、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,如图4
3、—2:图4—2孔径光阑对轴上点光束的限制设有一折射面,在光轴上有一点A,它所发出的进入系统的最大孔径角为U,现在A与折射面之间放一带有光孔的金属薄片,设其光孔尺寸大小为d1,则在此情况下,A点发出的光最大孔径角为:A点与光孔边缘点的连线与光轴的夹角u1,这时对光束起限制作用的是光孔,光孔即为孔径光阑。现在,让光阑的位置发生变化,从原来的1位置――>2位置,如果光孔的尺寸大小不发生改变,保持原来的尺寸,则显然,在此新位置处仍对A点来说其最大孔径角为u2,和u1相比变小了。为了确保A点发出的最大孔径角仍为u1,怎么办?只有增加光阑的尺寸从d1−>d2。通过以上分析,即可得到如下结论:结论1
4、: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:图4—3孔径光阑对轴外点光束的限制仍为该折射面,仍为该光阑,仍位于位置1,但是对于轴外点B而言,B点发出的光只有图中所示区域能到达折射面,进入系统参与成像,在折射面上所占据的区域为N-M;但是当光阑变换到位置2时,进入系统参与成像的光束明显发//生了变化,在折射面上所占据的区域为N-M部分。结论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
5、质量。小孔AA'图4—4孔径光阑和物体位置的关系结论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。如图4-4:设系统由光孔及透镜构成,对于物点A来讲,显然孔对光起到的限制作用大,所以孔是孔径光阑;但如果物面/物体的位置发生了改变,变到A’处,则透镜是孔径光阑。2、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。§4-2入瞳、出瞳一、定义:1、入瞳:孔径光阑经前面的
6、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、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。3、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1、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。D入2、相对孔径()――系统的入瞳直径与系统的焦距之比;f'f'3、光瞳数
7、(F数)――相对孔径的倒数即,K=D入4、数值孔径NA―――NA=n1sinU1,物方孔径角的正弦与物方折射率之积。§4-3视场光阑一、视场度量的二种方式1、线视场(用长度度量),它又分为二个:物方线视场2y――二倍的物高;线方线视场2y'――二倍的像高。视场光阑多为矩形、方形语圆形。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、视场角:物方视场角――2ω像方视场角――2ω'对不同的物面上的点其视场角不相同。若B点
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