光阑在光学中的应用

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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