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第四章 光学系统中成像光束的限制—光阑 光阑的定义： 以普通照相机来说明光阑 光阑在光学系统中的作用： 1.决定像面的照度。（孔径光阑） §4-2 孔径光阑、入瞳、出瞳 一、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，如照相机中的可调光圈就是该系统的孔径光阑。 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时，其孔径大小用孔径角U表示，对无限远物体成像时，孔径大小用孔径高度h表示，如图4-1所示。 二、光束限制的共轭原则 所谓光束限制共轭原则是指，当一条光线被其所在介质空间的某一元器件的口径所限制，则该光线的共轭光线也将被器件共轭像的口径所限制，如图4-2。 一个器件对光束的限制状况可以在任一个介质空间进行判断，但是，出于可比性，通常将所有器件都成像在同一介质空间来对光束限制的状况作比较。 三、孔径光阑的判断 在共轴光学系统中，各光学元器件按其设计的组合顺序依次排列，成像光束在经过各个元器件时，由于每个器件的通光口径大小和位置不同，对轴上物点允许通过的光束大小也不同。找出其中允许通过光束最小的元器件，便是孔径光阑，如图4-3所示 。 孔径光阑的判断 具体判断方法是： 1．首先求出所有的通光元件在系统物方的共轭“像”。即对每一器件从右到左，由像空间对其左方的所有成像元件进行成像，得到所有器件在物方空间的共轭“像”。 2．在物空间确定各器件允许通过光束的最大孔径角（当物在无限远时，确定所允许通过光束的最大高度）。即由给定的轴上物点以不同的孔径角去连接各个元件在物方的共轭“像”边缘，这些孔径角代表了各器件对轴上物点限制的最大光束； 3．比较出其中孔径角为最小（物在无限远时为孔径高度最小）所对应的器件，该元件就是系统的孔径光阑。 孔径光阑的判断 例4-1：如图4-4a所示，D1为一透镜，D2为一光孔，用作图法判断何者为孔径光阑。 解： 将D1、D2在物方求“像”。由于D1前面无成像透镜，它在物方的共轭像D1′就是其本身，D2对D1成像于D2′（其作图法可参照理想光学系统由像求物的作图方法），如图4-4b所示。由物点A连接D1′、D2′的边缘，张角分别为U1、U2，比较得出U2U1 ，所以D2为孔径光阑。该系统的最大孔径为U2。 孔径光阑的判断 应当指出，光学系统的孔径光阑只是对确定的物体位置而言的，如果物体位置发生变化，原来孔径光阑有可能失去限制作用而被其它器件所代替，孔径光阑的所属将发生变化。如例题4-1中，当物体移至无限远，这时轴上物点发出的平行光束中，D1允许通过的孔径高度最小，因此，此时D1成为孔径光阑。 孔径光阑的判断 孔径光阑的判断 孔径光阑的判断 四、入射光瞳和出射光瞳 将光学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，系统的入射光瞳必然是其中对物面中心的张角为最小的一个。 将光学系统中所有光学元件的通光孔分别通过其后面的光学元件成像到整个系统的像空间去，系统的出射光瞳必然是其中对像面中心的张角为最小的一个。 入瞳、出瞳与孔径光阑的共轭关系 一般指由轴外物点发出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。 六、孔径角的概念： 由轴上物点A向入射光瞳的边缘所引直线的张角，这个张角称物方孔径角。一般用2U表示。 对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种孔径角相应的性能参数 显微系统和投影系统的物镜常用nsinUmax表示，被称之为数值孔径，用NA表示，即 望远系统和摄影系统常用相对孔径A来表示 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 §4-3 视场光阑 入射窗 出射窗 一、视场光阑定义： 定义：限制成像范围大小的光阑称为视场光阑。 描述成像范围大小的参量称为视场，近距离物体成像的视场一般用物体的高度y表示，无限远物体成像的视场用视场角ω 表示。 光学系统的视场光阑对成像的范围（或称视场大小）起限制作用。一般情况下，视场光阑多设在像面或物面上，有时也设在系统成像过程中的某个中间实像面上，如图4-10所示，这样，物或像的大小直接被限制在视场光阑的口径内，口径以外的部分将被拦去而不能成像。 二、入射窗 出射窗 与孔径光阑类似，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）。 ` 如果孔径光阑或入射光瞳都非常小时，只有沿主光线的一束无限细光束能通过光学系统 把孔径光阑以外的所有光孔通过其前面的光组成像，则在这些像中入射窗对入瞳中心的张角为最小。 把除孔径光阑外的所有光孔通过其后面的光组在整个系统的像空间成像时，出射窗对出射光瞳中心的张角为最小。 出射窗限制了像方视