工程光学基础4.ppt

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1、第四章光学系统中的光束限制§4.1照像系统和光阑§4.2望远镜系统中成像光束的选择§4.3显微镜系统中的光束限制与分析§4.4光学系统的景深补充:光学系统的分辨率实际光学系统与理想光学系统不同，其参与成像的光束宽度和成像范围都是有限的。限制来自于光学零件的尺寸大小和其他金属框。从光学设计的角度看，如何合理的选择成像光束是必须分析的问题。光学系统不同，对参与成像的光束位置和宽度要求也不同。这里以几种典型系统的简化模型为例来分析成像光束的选择，并通过对这些具体系统的分析来掌握合理选择成像光束的一般原则。本章主要介绍：1.照像系统和光阑2.望远镜系统中成像光束的选择3.显微镜系统中

2、的光束限制与分析4.光学系统的景深普通照像系统是由三个主要部分组成：照相镜头、可变光阑和感光底片，如图4-1所示。ALBB2A1B1A2图（4－1）照相机系统简图第一节照像系统和光阑照相镜头L将外面的景物成像在感光底片B上；可变光阑A是一个开口大小可变的圆孔。随着缩小或增大，参与成像的光束宽度就减小（相当于角缩小）或加大，从而达到调节光能量以适应外界不同的照明条件。显然可变光阑不能放在镜头L上，否则的大小就不可变了。至于成像范围则是由照像系统的感光底片框的大小确定的。超出底片框的范围，光线被遮拦，底片就不能感光。在光学系统中，不论是限制成像光束口径、或者是限制成

3、像范围的光孔或框，都统称为“光阑”。限制进入光学系统的成像光束口径的光阑称为“孔径光阑”，例如照像系统中的可变光阑A就是孔径光阑。限制成像范围的光阑称为“视场光阑”，例如照像系统中的底片框就是视场光阑。现在分析孔径光阑的位置对选择光束的作用。就限制轴上点的光束宽度而言，孔径光阑处于A或者的位置，情况并无差别。如图4-2所示，但对轴外点的成像光束来说，孔径光阑的位置不同，参与成像的轴外光束不一样，如图4-3a和图4-3b所示ALA‘图（4－2）ALALAL图（4-5）图（4-3）a)b)仔细分析图4-3a和图4-3b，会看到经过透镜L的全部出射光束从孔径光阑这个最小出口中

4、通过。将孔径光阑对其前面的光学系统即透镜L）在物空间成像为，由于孔径光阑与为共轭关系，则入射光束全部从这个入口中通过，如图4-5所示。孔径光阑经过其前面的透镜或透镜组在光学系统物空间所成的像称为入射光瞳，简称入瞳，它是入射光束的入口。孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在光学系统像空间所成的像称为出射光瞳，简称出瞳，它是出射光束的出口。若孔径光阑位于系统的最前边，则系统的入瞳就是孔径光阑；若孔径光阑位于系统的最后边，则孔径光阑是系统的出瞳。通过入瞳中心的光线称为主光线，对理想光学系统而言，主光线（或主光线的延长线）必通过入瞳、孔径光阑和出瞳的中心。根据上面的分析，可以总结成如

5、下几点（1）在照像光学系统中，根据轴外光束的像质来选择孔径光阑的位置，其大致位置在照像物镜的某个空气间隔中，如图4-6所示。（2）在照像光学系统中，感光底片的框子就是视场光阑。（3）孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或矩形等。典型的双目望远镜系统是由一个物镜、一对转向棱镜、一个分划板和一组目镜构成的，如图4-7所示。有关光学数据如下：视角放大率：视场角：出瞳直径：出瞳距离：第二节望远镜系统中成像光束的选择物镜焦距：目镜焦距：将图4-7的望远镜系统简化，把物镜、目镜当作薄透镜处理，暂不考虑棱镜并拉直光路，则得图4-8。l’z图（4－8）两个光学系统

6、联用共同工作时，大多遵从光瞳衔接原则，即前面系统的出瞳和后面系统的入瞳重合。双目望远系统是与人眼联用的，人眼的入瞳就是瞳孔，这样，满足光瞳衔接原则的望远镜系统其出瞳应该在目镜后，而且应离目镜最后一面有段距离，这段距离称为出瞳距，用表示。如图4-8所示，为满足出瞳在目镜之外的要求，孔径光阑要放在分划板以左的地方。假定孔径光阑分别安放在如下三个地方，通过分析比较三组像方数据来确定孔径光阑的位置：（1）物镜左侧10mm（2）物镜上（3）物镜右侧10mm根据第二章第五节中介绍的望远镜系统性质可知，若要求双目望远镜的出瞳直径，则入瞳直径为又若该系统的视场角为

7、，则分划板上一次实像像高为：显然，分划板框就起了照相机中底片框的作用，限制了系统视场，它就是系统的视场光阑。（1）若孔径光阑位于物镜左侧10mm的地方，其亦为系统的入瞳。追迹一条过光阑（入瞳）中心的主光线，可分别求得它在物镜、分划板和目镜上的投射高度与出瞳距，如图4-9所示。l’z－f’目f’物－lz图（4-9）依据教材上式（2-41）和式（2-42），并代入系统光学性能要求的有关数据有：（2）当孔径光阑位于物镜上时，同（1）的步骤与方法，可求出主光线在各光学零件上的投射高度及出瞳距如下