第8章 理想光学系统.ppt

8.6 光学系统中的光束限制 8.6.1 光阑及其作用 在光学系统中把可以限制光束的透镜边框、或者特别设计的一些带孔的金属薄片，通称为光阑。光阑的内孔边缘就是限制光束的光孔，这个光孔对光学零件来说称为通光孔径。光阑的通光孔一般是圆形的，其中心和光轴重合，光阑平面和光轴垂直。 在实际光学系统中的光阑， 按其作用可分为以下几种： ① 孔径光阑。它是限制轴上物点成像光束立体角的光阑。 如果在过光轴的平面上来考察，这种光阑决定了轴上点发出光束的孔径角，孔径光阑有时也称为有效光阑。照相机中的光阑(俗称光圈)就是这种光阑。 孔径光阑的位置在有些光学系统中是有特定要求的。例如放大镜、望远镜等这些目视光学系统，光阑或光阑的像一定要在光学系统的外边，使之与眼睛的瞳孔相重合，以达到良好的观察效果。又如在光学计量仪器中，通常把光阑放在物镜的焦平面上，达到精确测量的目的。除此以外，光学系统中光阑的位置是可以任意选择的，但是，合理地选取光阑的位置可以改善轴外点的成像质量。因为对于轴外点发出的宽光束而言， 不同的光阑位置，就等于在该光束中选择不同部分的光束参与成像，即可选择成像质量较好的那部分光束，把成像质量较差的那部分光束拦掉。 作为观察用的目视光学系统，一定要把眼睛的瞳孔作为整个系统的一个光阑来考虑。 ② 视场光阑。它是限制物平面上或物空间中成像范围的光阑。如照相机中的底片框就是视场光阑。 孔径光阑和视场光阑是光学系统中的主要光阑， 任何光学系统都有这两种光阑。 ③ 消杂光光阑。这种光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制那些非成像物体射来的光、光学系统各折射面反射的光和仪器内壁反射的光等，这些光称为杂光。利用消杂光光阑可以拦掉一部分杂光。杂光进入光学系统，将使像面产生明亮背景，使像的对比度降低，有损于成像质量。一些光学系统， 如天文望远镜、 长焦距平行光管等，都专门设置消杂光光阑，而且在一个光学系统中可以有几个。而在一般光学系统中，常把镜管内壁加工成内螺纹，并涂以黑色无光漆或煮黑来达到消杂光的目的。 8.6.2 孔径光阑、 入射光瞳和出射光瞳 如图8-26所示的系统中，为了确定孔径光阑，就要看光阑Q1QQ2和透镜框M1M2究竟是哪一个起限制成像光束的作用。为此只需比较两者对轴上已知物点A所发出的光线的张角大小即可。 因为光阑Q1QQ2前面有透镜存在，光阑处在透镜的像空间，物体在透镜的物空间，所以物体与光阑不直接发生关系，不能直接从轴上物点A引一条到光阑边缘Q1的光线来确定光阑Q1QQ2对A点的张角。但可根据光阑的位置和大小， 求出其被它前面的光组所成像的位置和大小，因该像位于透镜的物空间， 这就可与物体直接发生关系。如图所示， P1PP2是光阑Q1QQ2被其前面的透 镜M1M2在物空间所成的像， 若从轴上A引一条到P1的光线，则经过透镜折射后，正好沿光阑边缘Q1通过。而透镜框M1M2前面再没有透镜，本身位于物空间，可直接由物点A到框边缘M1引光线AM1。由图可以看出∠P1AP小于∠M1AP，即光阑的像对轴上物点A的张角最小，或者说光阑Q1QQ2限制了A点成像光束的粗细。因此， 该例中光阑Q1QQ2就是孔径光阑。 由此可知，要在光学系统中的多个光阑中找出哪个是限制光束的孔径光阑，只要求出所有光阑被它前面的光组在系统物空间所成像的位置和大小，求出它们对轴上物点A的张角， 其中张角最小的光阑像所对应的光阑， 就是孔径光阑。 图8-26 孔径光阑的确定 图 8-27 三阑系统 图 8-28 三阑系统中各阑在物空间的像 图 8-29 三阑系统中各阑在像空间的像 很显然，对一定位置的物体，入射光瞳决定了能进入系统成像的最大光束孔径，并且是物面上各点发出并进入系统成像光束的公共入口。出射光瞳是物面上各点的成像光束经过系统后射出系统的公共出口。入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是出射光瞳，二者对整个光学系统是共轭的。如果孔径光阑在整个光学系统的像空间，它本身也就是出射光瞳。反之，在物空间，就是入射光瞳。 通过入瞳中心的光线称为主光线。由于共轭的关系，对于理想光学系统，主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。 显然，主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴线。当物体位于物方无限远时，只须比较各光阑通过其前面光组在整个系统的物空间所成像的大小，以直径最小者为入射光瞳。 入射光瞳的大小是由光学系统对成像光能量的要求或者对物体细节的分辨能力的要求来确定的。常以入射光瞳直径和焦距之比D/f′来表示，称为相对孔径，它是光学系统的一个重要性能指标。相对孔径的倒数称为F数。 对照相物镜来说， 有时称F数为光圈数。 应该指出，光学系统的孔