应用光学 第五章

《应用光学 第五章》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第五章光学系统中的光阑§5－1光阑及其作用在设计光学系统时，应按其用途、要求，在成象范围内的各点以一定立体角的光束通过光学系统成象。这就是一个如何合理地限制光束的问题。定义：限制光束通过光学系统的光孔。分类：（按作用分）●孔径光阑：限制轴上点成像光束的孔径角。（有效光阑）●视场光阑：限制物面或像面上的物体成像范围。●渐晕光阑：去掉成像质量差的光束，改善轴外物点和远轴光成像质量。组成：透镜等光学零件边框或专门设置的带孔金属框。§5－2孔径光阑1.作用：在光学系统中实际限制轴上物点成像光束的孔径角U。2

2、.图示：孔径光阑通过前面光组在光学系统的物空间所成的像称为入瞳。孔径光阑通过后面光组在光学系统的像空间所成的像称为出瞳。3.确定孔径光阑的方法：原则：将光学系统中所有的光学零件的通光孔（镜框）分别通过其前面的光学零件成像到整个系统的物空间去，入射光瞳必然是其中对物面中心张角最小的一个。1）将所有光学元件的通光孔径经前方光组成像到物空间，并求出各个光孔在物空间像的大小和位置。a）规定光传播方向从右向左，以光孔为物，与物点发出的光线反向。b）所有孔或框为实物。c）利用解析法求解像的位置和大小。2）物点在

3、有限远时，各光孔像中，对轴上物点张角最小者，限制了轴上点光束的孔径角，即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。3）物点在无限远时，各光孔像中，直径最小者即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。例：有两个薄透镜L1和L2，焦距分别为90mm和30mm，孔径分别为60mm和40mm，相隔50mm，在两透镜之间，离L2为20mm处放置一直径为10mm的圆光阑，试对L1前120mm处的轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳的位置和大小。两正薄透镜组L1和L2的焦距分别为100mm和50mm，通光口径分别为60mm和

4、30mm，两透镜之间的间隔为50mm，在透镜L2之前30mm处放置直径为40mm的光阑，问1）当物体在无穷远处时，孔径光阑为哪个？2）当物体在L1前方300mm处时，孔径光阑为哪个？4.说明：1）物体位置改变，原孔阑可能失去控制轴上点孔径角的作用，要重复上述三个步骤确定孔阑。2）一般来说，入瞳在物空间，孔阑在系统中，出瞳在像空间；但有时光学系统第一个光孔为孔阑，入瞳与孔阑重合；光学系统最后一个光孔为孔阑，出瞳与孔阑重合；3）入瞳为孔阑经过前面光组在物空间的像，决定了系统轴上物点的物方孔径角。出瞳为孔

5、阑经过后面光组在像空间的像，决定了系统轴上像点的像方孔径角。4）对于理想光学系统，轴上和轴外物点的主光线都过入瞳、孔阑、出瞳中心。主光线：通过入射光瞳中心的光线称为主光线。第二近轴光线：由物方视场边缘发出通过入射光瞳中心的近轴光线。5）入瞳、孔阑、出瞳之间的相互共轭关系。6）光学特性：入射光瞳直径D和整个系统焦距f′之比称为该系统的相对孔径。相对孔径（望远、照相系统）：数值孔径NA（显微系统）：当物体在很近的距离时，常用物方孔径角正弦和物空间介质折射率乘积来取代相对孔径，称为数值孔径，即§5－3视场

6、光阑1.作用：限制物、像面上的成像范围。2.视场表示方法：物方线视场2y像方线视场2y′长度度量：角度度量：物方视场角2ω像方线视场2ω′视场光阑通过前面光组在光学系统的物空间所成的像称为入射窗。视场光阑通过后面光组在光学系统的像空间所成的像称为出射窗。3.确定视场光阑的方法：讨论条件：孔阑、入瞳、出瞳均为无穷小（特殊情况），轴上轴外物点均只有一条主光线经过光学系统成像。1）首先用寻找入瞳、孔阑的方法寻找到入瞳、孔阑。2）将所有除孔阑外的光孔经其前方光组成像到物空间，求出每个光孔像的位置和大小。3）

7、各光孔像中，对入瞳中心张角最小者，像本身为入射窗，像对应的实际光孔即为视阑。视阑经过后方光组成在像空间的像即为出射窗。4.说明：1）孔阑位置变化，入瞳、出瞳位置也变化，原视阑可能失去限制物象方视场范围的作用，要重新确定视阑。2）入瞳为无限小时，视场范围由入窗边缘和入瞳中心连线决定。入窗限制物方物面上的成像范围，视阑是实际光学系统中限制物面成像范围的实际光孔，出窗限制像方像面范围。3）当物体位于无限远时，视阑必须设置在像平面（即后焦面）上。4）若视阑为长方形或正方形，其线视场按对角线计算。5）入射窗、

8、出射窗、视阑之间的相互共轭关系。例：有一光学系统，透镜O1、O2的口径D1=D2=50mm，焦距f1′=f2′=150mm，两透镜间隔为300mm，并在中间置一光孔O3，口径D3=20mm，透镜O2右侧150mm处再置一光孔O4，口径D4=40mm，平面物体处于透镜O1左侧150mm处。求该系统的孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗的位置和大小。§5－4渐晕光阑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。作用：提高轴外点