哈工大《工程光学》课件.ppt

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1、3.1光学系统中的光束限制组成光学系统的所有零件都有一定的尺寸大小。设计时，光学系统要对于要求成像范围的物体，以要求孔径角的光束成像D和2u大，传过的能量多，分辩率高；2y大，成像范围大透镜的大小限制A点发出的光束孔径角，底片的大小限制成像范围（视场）理论上希望大些，但会引起像差，反过来使像的质量差。因此要给予适当的限制。第三章实际光学系统中的光束限制与像差3.1.1光阑的种类及其应用光学系统中限制成像光束的光孔称为光阑.光阑可能是夹持光学零件的金属框（透镜框、棱镜框），也可能是专门设计的任一形状的光孔器件。光孔的大小可变化的光阑称为“可变光阑”光阑是实际光学系统成满

2、意像必不可少的零件。孔径光阑:限制成像光束孔径，决定像面照度。视场光阑:决定系统的视场。渐晕光阑:限制光束中偏离理想位置的一些光线，改善成像质量消杂光光阑:拦截系统中有害的杂散光。一、孔径光阑它是限制轴上物点成像光束立体角（锥角）的光阑。也就是起到决定能通过光学系统的光能（即像平面照度）作用的光阑。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。M’N’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

3、束参与成像，提高（改善）成像质量。-y-UP'P1′P2′PP1P2U'y'QQ2Q出射光瞳入射光瞳孔径光阑L1L2U—物方孔径角U′—像方孔径角入射光瞳：孔径光阑被其前面的光组在光学系统物空间所成的像，简称入瞳。出射光瞳：孔径光阑被其后面的透镜在像空间所成的像，简称出瞳。入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。如果光阑在整个光学系统的像空间，那么它本身也就是出射光瞳；反之，若在物空间，它就是入射光瞳。将系统中所有光学元件的通光孔分别通过其前面的光学元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的张角为最小的一个。判断孔径光阑、入瞳、出瞳的方法：光阑前面有透镜，

4、光阑处在透镜的像空间，物体在透镜的物空间，物体与光阑不直接相关联，例1已知一光学系统由三个零件组成，透镜1其焦距f1′=-f1=100mm，口径D1=40mm；透镜2的焦距f2′=-f2=120mm，口径D2=30mm，它和透镜1之间的距离为d1=20mm；光阑3口径为20mm，它和透镜2之间的距离d2=30mm。物点A1的位置L1=-200mm，试确定该光组中，哪一个光孔是孔径光阑。对于物点A2的位置L1=-100mm，此时哪个光孔是孔径光阑？D2D3A1D1A2解:(1)透镜1的前面没有任何光组，所以它本身就是在物空间的像。(2)求透镜2经透镜1所成的象。透镜2在

5、透镜l的右边，要使它成象，光线必须自右向左发射，此时的光路属于反向光路。高斯公式是在正向光路的情况下推导而得的，它不适用于反向光路。但是从光路的可逆性出发，可认为透镜2是某一物体经透镜1后所成的象。这样可用高斯公式计算出该物体的位置和大小。(3)同理，求光阑3依次经透镜2，透镜1在物空间的所成的像（4）求物平面中心点A对各光阑在物空间像的张角，张角最小的一个像为入瞳f1’=-f1=100mm，l’=20mm，利用高斯公式：计算过程：光阑3经透镜2成像因为l2’=30mm，y2’=D3/2=10mm，求物平面中心点A对各光阑像的张角（在物空间的像）因为l2=l1'–d1

6、，所以y2对透镜1来说是像，故y1'=y2=13.33mm物点A1对光阑D1’的张角对D2’的张角对光阑D3’的张角u2为最小，说明光阑像D2'限制了物点的孔径角，故透镜2为孔径光阑。D2D3A1D1D2’D3’必须注意：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光阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限制。对于无限远的物体，光学系统的所有光孔被其前面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的一个光孔像就是系统的入瞳。通过入射光瞳中心的光线称为主光线由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。显然，主光线是各个

7、物点发出的成像光束的光束轴线。限制物体成像范围的光阑称为视场光阑。二、视场光阑、入射窗和出射窗入射窗和出射窗共轭。视场光阑被其前面的光组在整个系统的物空间所成的像称为入射窗（简称入窗），视场光阑被其后面的光组在整个系统的像空间所成的像称为出射窗（简称出窗）。视场当物体在无限远时，常用主光线和光轴间的夹角（视场角）表示光学系统的视场，以2ω表示当物体在有限距离时，常用物高表示视场，称为线视场，以2y表示物平面入窗入瞳出瞳像平面视场光阑出窗一般情况下，视场光阑多设在像面（如照相机的底片框）或物面（投影系统的图片框），有时也设在系统成像过程中的某个中间像面