第5章应用光学.ppt

§ 5－1 光阑及其作用 § 5－2 孔径光阑 § 5－3 视场光阑 § 5－4 渐晕光阑 § 5－5 光学系统的景深 § 5－6 远心光路 § 5－8 几种典型系统的光束限制 * * 第五章 光学系统中的光阑 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。 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.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 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）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、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