工程光学(第四章光阑).教学教材.ppt
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1、工程光学2008(第四章光阑).光阑的定义:夹持光学零件的金属框(透镜框、棱镜框)夹持光学零件的金属框(透镜框、棱镜框)限制了成像光束的大小,限制了成像光束的大小,光学系统中这种光学系统中这种限制成像光束的光孔称为限制成像光束的光孔称为光阑光阑光阑光阑。若光孔的大小是可变化的,这种光阑称若光孔的大小是可变化的,这种光阑称为为“可变光阑可变光阑可变光阑可变光阑”。若光孔的大小是不变的,这种光阑称为若光孔的大小是不变的,这种光阑称为“不不可变光阑可变光阑可变光阑可变光阑”。4-1 4-1 概概述述11/30/20222以普通照相机来说明光阑以普通照相机来说明光阑可变光阑可变光阑底片底片11/30/
2、20223光阑在光学系统中的作用:1.1.决定像面的照度。(决定像面的照度。(孔孔径径光光阑阑)2.2.决定系统的视场。(决定系统的视场。(视场视场光光阑阑)3.3.限制光束中偏离理想位置的一些限制光束中偏离理想位置的一些光线,用以改善系统的成像质量。光线,用以改善系统的成像质量。(渐晕渐晕光光阑阑)4.4.拦截系统中有害的杂散光。拦截系统中有害的杂散光。(消消杂杂光光光光阑阑)11/30/20224 4-2 孔径光阑、入瞳、出瞳孔径光阑、入瞳、出瞳一、孔径光阑一、孔径光阑:光学系统中用于限制成像光束孔径大小的光阑称为光学系统中用于限制成像光束孔径大小的光阑称为孔孔径光阑径光阑,如照相机中的可
3、调光圈就是该系统的孔径光,如照相机中的可调光圈就是该系统的孔径光阑。阑。在光学系统中,描述成像光束大小的参量称为在光学系统中,描述成像光束大小的参量称为孔径孔径,系统对近距离物体成像时,其孔径大小用孔径角系统对近距离物体成像时,其孔径大小用孔径角U U表示,表示,对无限远物体成像时,孔径大小用孔径高度对无限远物体成像时,孔径大小用孔径高度h h表示,如表示,如图图4-14-1所示。所示。图图4-14-111/30/20225二、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
4、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,如图被器件共轭像的口径所限制,如图4-24-2。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。介质空间来对光束限制的状况作比较。AAIIII图图4-211/30/20226三、孔径光阑的判断三、孔径光阑的判断在在共共轴轴光光学学系系统统中中,各各光光学学元元器器件件按按其其设设计计的的组组合合顺顺序序依依次次排排列列,成成像像光光束束在在
5、经经过过各各个个元元器器件件时时,由由于于每每个个器器件件的的通通光光口口径径大大小小和和位位置置不不同同,对对轴轴上上物物点点允允许许通通过过的的光光束束大大小小也也不不同同。找找出出其其中中允允许许通通过过光光束束最最小小的的元元器器件件,便便是是孔孔径径光光阑阑,如如图图4-34-3所示所示 。物物A.S.L像像图图4-311/30/20227孔径光阑的判断孔径光阑的判断具体判断方法是:具体判断方法是:1 1首首先先求求出出所所有有的的通通光光元元件件在在系系统统物物方方的的共共轭轭“像像”。即即对对每每一一器器件件从从右右到到左左,由由像像空空间间对对其其左左方方的的所所有有成成像像元
6、元件件进进行行成像,得到所有器件在物方空间的共轭成像,得到所有器件在物方空间的共轭“像像”。2 2在在物物空空间间确确定定各各器器件件允允许许通通过过光光束束的的最最大大孔孔径径角角(当当物物在在无无限限远远时时,确确定定所所允允许许通通过过光光束束的的最最大大高高度度)。即即由由给给定定的的轴轴上上物物点点以以不不同同的的孔孔径径角角去去连连接接各各个个元元件件在在物物方方的的共共轭轭“像像”边边缘缘,这这些些孔孔径径角角代代表表了了各各器器件件对对轴轴上上物物点点限限制制的的最最大大光光束;束;3 3比比较较出出其其中中孔孔径径角角为为最最小小(物物在在无无限限远远时时为为孔孔径径高高度度
7、最最小小)所对应的器件,该元件就是系统的孔径光阑。所对应的器件,该元件就是系统的孔径光阑。11/30/20228孔径光阑的判断孔径光阑的判断例例4-1:如图:如图4-4a所示,所示,D1为一透镜,为一透镜,D2为一光孔,用作图法判断何者为孔径为一光孔,用作图法判断何者为孔径光阑。光阑。解:解:将将D1、D2在物方求在物方求“像像”。由于。由于D1前面无成像透镜,它在物方的共轭前面无成像透镜,它在物方的共轭像像D1就是其本身,就是其本身,D2对对D1成像于成像于D2(其作图法可参照理想光学系统由(其作图法可参照理想光学系统由像求物的作图方法),如图像求物的作图方法),如图4-4b所示。所示。由物
8、点由物点A连接连接D1、D2的边缘,张角的边缘,张角分别为分别为U1、U2,比较得出,比较得出U2U1,所以所以D2为孔径光阑。该系统的最大孔为孔径光阑。该系统的最大孔径为径为U2。AD1FFD2AU1FU221DDD2F图图4-4(a)(b)图图4-4 11/30/20229孔径光阑的判断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。11/30/2022
9、10例例2 2:如图:如图4-5a4-5a所示,所示,L L1 1,L L2 2是两个直径相是两个直径相等的正薄透镜,等的正薄透镜,A A为物点,为物点,P P是光孔,已知是光孔,已知透镜的焦距透镜的焦距 ,物距孔径光阑的判断孔径光阑的判断间间距距,直径,直径,求此系统的孔径光阑,求此系统的孔径光阑。D =2=6=6A100D1P401LPD2202L图图4-5a11/30/202211解解 求出所有器件在物空间的像。为此将整个系统求出所有器件在物空间的像。为此将整个系统翻转翻转180180,首先,光孔,首先,光孔P P经透镜经透镜L1L1成像:成像:孔径光阑的判断孔径光阑的判断,得:,得:(
10、表示直径大小可不考(表示直径大小可不考虑虑符号)符号)再将透镜再将透镜L L2 2对透镜对透镜L L1 1成像:成像:,得:,得:,得:,得:,得:,得:透镜透镜L1L1本身处在物空间,不必成像。将上述所有成本身处在物空间,不必成像。将上述所有成像结果再转回像结果再转回180180,得到图,得到图4-5b4-5b。11/30/202212孔径光阑的判断孔径光阑的判断由物点由物点A A像所有物空间的器件像边缘作连线,比较像所有物空间的器件像边缘作连线,比较边缘光线的角度。边缘光线的角度。比比较较以上三个孔径角,有以上三个孔径角,有所以得出光孔所以得出光孔P为为孔径光孔径光阑阑。D=3A2PD =
11、2P2LD =2D1=6P40D2=620(L)11LP2L图图4-5b11/30/202213四、入射光瞳和出射光瞳四、入射光瞳和出射光瞳 要找到孔径光阑,首先应使所有的光孔处于同一要找到孔径光阑,首先应使所有的光孔处于同一空间空间。即 所有光孔投射到第一光孔的物空间,对轴上物点A张角最小的光孔“像”所共轭的光孔为孔径光阑,该光孔“像”称入射光瞳。.或所有光孔投射到最后一个光孔的像空间,对轴上像点A张角最小的光孔“像”所共轭的光孔为孔径光阑,该光孔“像”称为出射光瞳。11/30/202214QQQ2A-UP1PP2入射光瞳入射光瞳孔径光阑孔径光阑L1L2 2L2BACK11/30/20221
12、5将光学系统中所有光学元件的通光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孔分别通过其前面的光学元件成像到整个系统的到整个系统的物空间物空间去,系统的入去,系统的入射光瞳必然是其中对物面中心的射光瞳必然是其中对物面中心的张张角为最小角为最小的一个的一个。11/30/202216PL1AU孔径光阑孔径光阑QQ2QL2P P 出射光瞳出射光瞳L111/30/202217将光学系统中所有光学元件的通光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孔分别通过其后面的光学元件成像到整个系统的到整个系统的像空间像空间去,系统的出去,系统的出射光瞳必然是其中对像面中心的射光瞳
13、必然是其中对像面中心的张张角为最小角为最小的一个的一个。11/30/202218 入瞳入瞳、出瞳与孔径光阑的共轭关系出瞳与孔径光阑的共轭关系2.2.入射光瞳与孔径光阑对其前面的光学系统而言就入射光瞳与孔径光阑对其前面的光学系统而言就是共轭关系;是共轭关系;3.3.出射光瞳与孔径光阑对其后面的光学系统而言出射光瞳与孔径光阑对其后面的光学系统而言是共轭关系;是共轭关系;1.1.入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口;出瞳入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口;出瞳是物面上各点发出光束经整个光学系统以后从最后一个是物面上各点发出光束经整个光学系统以后从最后一个光孔出射的共同出口。光孔出射的共同出
14、口。4.4.入瞳入瞳与与出瞳出瞳对对整整个个光光学学系系统统是是共共轭轭的的。11/30/202219 一般指由一般指由轴轴外物点外物点发发出出通过入射光瞳中心的通过入射光瞳中心的光线称为光线称为主光线主光线由于共轭关系,主光线也必然通过孔径光由于共轭关系,主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。阑中心和出瞳中心。主光线是各个物点发出的成像光束的光主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴线。束轴线。五、主光线的概念五、主光线的概念11/30/202220六、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。由轴上像点A向出射光瞳边缘所引的张角,这个张
15、角称像方孔径角。一般用2U 表示。它不但决定了它不但决定了像面的照度像面的照度,而且还决定,而且还决定了光学系统了光学系统分辨能力分辨能力 NEXT1011/30/202221对于不同类型的光学系统,有不同的表示方法来表征这种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孔径角相应的性能参数 显微系统和投影系统的物镜常用显微系统和投影系统的物镜常用nsinsinU Umaxmax表示,被称之表示,被称之为为数值孔径数值孔径,用,用NANA表示,即表示,即 n n 物方空间的介质折射率。物方空间的介质折射率。物方孔径角物方孔径角U Umaxmax越大,其越大,其数值孔径数
16、值孔径也越大也越大 进进入系入系统统的光能越多,理的光能越多,理论论分辨本分辨本领领越高越高11/30/202222望远系统和摄影系统常用望远系统和摄影系统常用相对孔径相对孔径A来表示来表示 D 入瞳直入瞳直径径 f物物镜镜焦距焦距 相相对对孔孔径径A越大,表明能越大,表明能进进入系入系统统的光能也越多的光能也越多而照相机,而照相机,则则常用另一常用另一个术语个术语光光阑阑指指数数,用,用F来来表示,表示,它它是相是相对对孔孔径径的倒的倒数数,即,即F俗称俗称光圈光圈,相对孔径越大时,光圈数值愈小,相对孔径越大时,光圈数值愈小。11/30/202223必须注意:光学系统的孔径光阑只是对一定位置
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