第四章 光学系统中的光束限制

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1、[考试要求]要求考生了解三种典型的目视光学仪器中的光束限制、系统的景深和远心光路。[考试内容]与光阑相关的定义，光阑的种类和作用，照相系统、显微系统、望远系统中的光束限制和特点，远心光路的定义、光路和应用，景深的定义等。［作业］P73：1、3、4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一、光阑1、定义：光学系统中设置的带有内孔的金属薄片，是专用光阑。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，有些光阑的尺寸大小是可以调节的（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，白天最小D＝2mm,

2、晚上最大，可达D=8mm。3、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二、光阑种类主要分为：孔径光阑和视场光阑。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。结论1：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：MM'AA'NN'LL(a)(b)图4—2孔径光阑对轴外点光束的限制结论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，

3、就可以选择成像质量较好的部分光束参与成像，提高（改善）成像质量。小孔AA'图4—3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。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

4、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。图4－43、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（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。

5、§4－3视场光阑一、视场度量的二种方式1、线视场物方线视场2y――二倍的物高；像方线视场2y'――二倍的像高。视场光阑多为矩形、方形及圆形。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。注意：1）方视场角定义的时候是2ω，很多情况下，我们都用半视场ω来表示。2）场角也有符号，它也遵循符号原则。二、入射窗、出射窗1、入射窗：视场光阑经前面的光组在物空间所成的像；2、出射窗：视场光阑经后面的光组在像空间所成的像；入、出射窗之间是共轭的，也可以将出射窗看作是入射窗经系统所成的像。3、判断

6、入射窗的方法：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入（出）瞳中心的张角，其中张角最小者为入射窗（出射窗）。三、渐晕1、定义：轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径所拦截的这种现像。为了说明这个问题，用图来表示一下P1镜框P'1Q1BL2y'AO2O1P'QF'A'-yL1镜框Q2BP'2P2图4—5轴外光束的渐晕实际上，渐晕现像是普遍存在的，我们用不着片面的消除渐晕。一般系统允许有50％的渐晕（拦一半），甚至30％的渐晕。2、消除渐晕的条件只要入射窗（决定了物方视场的大小）与物平面重合，出射窗与像平

7、面重合就可消除渐晕。3、线渐晕系数2b线渐晕系数表示式为：Kω=2h式中，2b是轴外点发出光束的宽度；2h是轴上点发出光束宽度（它们都是在垂直于光轴的平面上度量）；Dω若2b,2h在入瞳面内度量，则上式变为：K=，分子是斜光束在入瞳平ωD面上垂直于光轴方向上的宽度；分母是入瞳直径。§4－4景深一、景深1、定义：在景像平面上所获得成清晰像的空间深度（∆）2、产生原因：接收器件本身不完善性造成的（衍射的影响）。对准平面景象平面B"2B1