《工程光学教学课件》第04章
76页1、1,第4章 光学系统中的光束限制,光阑 照相系统中的光阑 望远系统中成像光束的选择 显微镜系统中的光束限制与分析 光学系统的景深,2,本章重点,孔径光阑、视场光阑的确定方法 远心光路 景深,3,光阑:构成光具组的各种光学元件的边框或一些开孔屏,对成像光束的截面和空间立体角的大小等起到一定限制作用。,光阑的作用:通过限制光具组的光束孔径和视场,影响着光具组成像的像差、像的亮暗、景深、分辨本领及空间范围等。,光阑的类型:孔径光阑,视场光阑,4,孔径光阑,限制轴上物点光束宽度的光孔,也称为“有效光阑”,P1P2是孔径光阑,主要用于控制成像面的光能!,1、孔径光阑的定义与作用,孔径光阑同时具有选择轴外物点成像光束的位置作用,5,孔径光阑,2、入射光瞳和出射光瞳,P1P2孔径光阑经前方光学系统所成的像 P1P2称为入射光瞳,简称入瞳,入瞳边缘对物点A的张角称为物方孔径角2U,当孔径光阑前方无光学系统,则孔径光阑就是入瞳。,6,孔径光阑,2、入射光瞳和出射光瞳,P1P2孔径光阑经后方光学系统所成的像 P”1P”2称为出射光瞳,简称出瞳,出瞳边缘对像点A的张角称为像方孔径角2U,当孔径光阑后方无光学
2、系统,则孔径光阑就是出瞳。,7,通过入瞳中心的光线称为主光线,也通过孔径光阑和出射光瞳中心,是各个物点发出的成像光束的光束轴线。,8,光瞳图,光瞳图,边沿光线,主光线,9,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,孔径光阑是针对轴上物点定义的,物平面发生变更,孔径光阑将有可能易主。,10,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,首先,将系统中所有元件的光孔成像到物空间,用计算方法确定其位置和大小 。,第二步,由物面中心A点对各个像的边缘引直线,入射光瞳是其中张角最小者,对应的物为孔径光阑。,孔径光阑的确定方法,11,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,若物体位于无限远,此时仅比较各个像本身的大小,其口径最小者即为入射光瞳。,确定孔径光阑的方法,也可以先确定出射光瞳。,对称于光阑的对称式系统:入射光瞳和出射光瞳的大小和倒正都一样,入瞳和出瞳之间的倍率为+1,入射光瞳面和出射光瞳面分别与光学系统的物方主平面和像方主平面重合。,12,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,入瞳的大小是由光学系统对成像光能的要求或者对物体细节的分辨能力(分辨率)的要求来确定的。常以入
3、瞳直径和焦距之比值来表示, 称为相对孔径,它是光学系统的一个重要的性能指标。,13,孔径光阑,3、关于孔径光阑需要注意的几个问题,孔径光阑的安放要遵循一定原则。,对于目视光学系统,出瞳必须在目镜外,便于与其衔接。,在投影计量光学中,要求入瞳或出瞳位于无穷远。,在光学设计时,可以合理设置孔径光阑位置用以校正像差。,可以合理设置孔径光阑的大小来匹配光学镜组之间的能量。,14,视场:能够通过光组清晰成像的物平面空间范围,视场光阑:限制物平面或物空间范围的光阑。,视场光阑,15,视场光阑,限制物平面或物空间范围的光阑称视场光阑。,Q1Q2是视场光阑。 Q1Q2为入射窗; Q1Q2本身也为出射窗。 通常设置在系统的实像平面或物平面,Q1,Q2,16,(2)计算这些像的边缘对入瞳中心的张角大小。张角最小者即为入射窗,入射窗对应的光学元件为视场光阑.,入射窗边缘对入瞳中心的张角为物方视场角 ,同时也决定了视场边缘点。 视场光阑经后面光学零件所成的像即为出射窗,出射窗对出瞳中心的张角即为像方视场角 。,视场光阑是对一定位置的孔径光阑而言的。,确定视场光阑的方法:,(1)将所有光孔经前面的光学系统成像到
4、物空间,确定入瞳中心位置 (实际上在确定孔径光阑时这一步骤已完成)。,17,孔径光阑为无限小时,物面范围由入窗边缘与入瞳中心连线决定。,线视场:物方线视场为物高的两倍,以2y表示。像方线视场为像高的两倍,以2y表示。,18,减小孔径光阑并不会对视场产生影响(过入射光瞳中心的主光线也一定过孔径光阑中心。 ),孔径光阑的变化,视场光阑在像方对光线的限制在本质上是在物方对光线的限制。,19,视场与成像范围,20,例:有一个由三个光学零件组成的光组,透镜O1,其口径D14mmf1=36mm,透镜O2,其口径 D212mm,f2=15mm,二透镜间隔195mm,在离透镜O1右180mm处设有一光孔D310mm,物点离透镜Ol为-45mm1)求孔径光阑和入瞳出瞳的大小和位置?2)求视场光阑和入窗出窗的大小和位置?,21,解:光孔D3经O1成像,在O1左方与物点重合,22,透镜O2经O1成像,在A点右方0.85mm,23,(1)求孔径光阑、入瞳、出瞳,U1最小,故物镜框O1是入瞳,也是孔径光阑。它经O2的像为出瞳。,24,(2)求视场光阑、入窗、出窗,故光孔O3为视场光阑,入窗与物平面重合,大小为2
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