工程光学第五.ppt

第5章 光学系统的光束限制 5.1 概述 5.2 孔径光阑 5.3 视场光光阑 5.4 渐晕光阑与场镜 5.5 景深和焦深 5.1 概述 任何光学系统对光束包括两个基本限制： （1）对入射的光束大小 （2）对成像范围 研究的意义： （1）反映了光学系统的某些重要性能； （2）决定了光学系统对物体细节的分辨力和系统的景深； （3）对光学系统的像差也有重要影响。 光阑： 在光学系统中对光束起限制作用的光学元件。 可能是某一透镜的边框，也可能是专门设 计的任一形状的光孔器件。 分类： 根据各种光阑限制光束的目的，大体分为：孔 径光阑、视场光阑、渐晕光阑、消杂光光阑 5.1.1 孔径光阑 光学系统中用于限制成像光束大小的光阑称为孔径光阑。如照相机的可调光圈。 在光学系统中，描述成像光束大小的参量称为孔径。 系统对近距离物体成像，孔径大小用孔径角U表示；对远距离物体成像，孔径大小用孔径高度h表示。 5.1.2 视场光阑 1、在光学系统中，用于限制成像范围大小的光阑称为视场光阑。如照相机中的底片框。 2、光学系统中描述成像范围大小的参量称为视场。 3、系统对近距离物体成像时，视场大小用物体高度y表示，对远距离物体成像时，用视场角w表示。 5.1.3 渐晕光阑 渐晕： 视场范围内某一部分区域物点的成像光束较之 另一部分区域物点的光束出现减弱的现象。 渐晕光阑： 对轴外物点的成像光束产生限制作用的一种光阑。 使轴外物点通过系统的光束小于轴上物点其目的是为了 改善轴外点的成像质量或减小部分光学元件的横向尺寸。 5.1.4 消杂光光阑 用来限制一些非成像光线，如由于镜头表面、金属表面以及镜筒内壁反射或散射产生的杂散光。 总结 孔径光阑和视场光阑是光学系统中不可缺少的。在光学系统计算中，需要根据光学系统所要求的最大视场和最大孔径来设计孔径光阑、视场光阑以及系统中各个元件的横向尺寸。 光束限制的共轭原则（☆重要☆） 如果一条光线在传播过程中受到某器件的限制，那么根据共轭关系可知，在任意空间该光线也会被该器件的共轭像所限制。 5.2 孔径光阑 ★孔径大小（最大光束的大小）以轴上物点（视场中心）来计算。 在众多的通光孔径中如何判别孔径光阑? 孔径光阑的判断： 根据共轭原则，将光孔在像方对光束的限制转换成 “光孔”在物方对光束的限制，并比较得出何者是孔径 光阑。 判断孔径光阑的步骤： （1）求出所有通光器件在物方的共轭像； （2）确定这些器件在物方允许的光束孔径角 （物在无限远处时，确定允许的光束高度） （3）比较得出其中最小孔径角所对应的器 件，即为孔径光阑。 判断方法二： 从轴上物点追迹一条近轴光线，求出光线在每个折射面上的投射高度， 然后将得到的投射高度与相应折射面得实际孔径相比，比值最大的为孔 径光阑。 5.2.3 入射光瞳和出射光瞳 所谓光瞳，就是孔径光阑的像 孔径光阑经孔径光阑前面光学系统所成的像（在物方空间的共轭像）称为入射光瞳，简称入瞳； 孔径光阑经孔径光阑后面光学系统所成的像（在像方空间的共轭像）称为出射光瞳，简称出瞳 。 通过入瞳中心的光线称为物点的主光线。 三者互为共轭关系 若系统的孔径光阑与物面之间，即孔径光阑的前方没有折射和反射元件(透镜、棱镜或反射镜)，则孔径光阑的边框直接对轴上物点所张立体角范围内的光束，都能通过此光学系统到达像面或聚光面。 若孔径光阑与物面之间有折射和反射元件，则因光线被折射或反射，所以能够通过光学系统的光束就应该受入瞳的限制。 需要注意的问题： （1）在具体的光学系统中，如果物平面位置有了变动，究竟谁是真正起限制轴上物点光瞳作用的孔径光阑？ （2）孔径光阑对轴外物点如何影响？ 孔径光阑位置不同，轴外物点参与成像的光束位置就不同。 孔径光阑的位置不同，轴外物点发出并参与成像的光束通过透镜的部位不同。 孔径光阑的位置将影响通过所有成像光束而需要的透镜口径大小。 （3）孔径光阑位置的安放原则 ？ 不同的光学系统要求不同。如目视光学系统要求出瞳位于系统外面的适当距离处，便于人眼能与之重合，达到良好的观察效果；远心光路要求设置在系统焦点处，以减小测量误差；对于无特殊要求的系统，孔径光阑的位置可以根据光学系统像差校正的要求来确定。 5.3 视场光阑 视场光阑的作用 在光学系统中限制成像范围（或称视场大小） 视场光阑的位置： （1）放在系统像面上，如照相系统的底片 （2）放在系统物面上，如书写投影仪的图片框 （3）放在成像过程中某个中间实像面上，如望远系统和显微系统。 5.3.1 视场范围的计算 光学系统视场范围多用物方视场角或物面半径（或 直径）表示。 1 视场光阑与像面重合， 物方视