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* . . 第 五 章 光学系统中的光阑 应用 光学 第 五 章 光 学 系 统 中 的 光 阑 光阑的基本概念 确定孔径光阑和视场光阑的方法 渐晕 光学系统的景深 消杂光光阑 主要应用：实际光学系统不是理想光学系统，必须限制成像 的光束宽度和成像范围，以保证成像质量。 应 用 光 学 一、基本概念 1、光阑：限制成像光束的光孔或限制成像范围的光控或框。称“光阑”，光阑可以是圆形，长方形或正方形的，取决于用途。光阑中心一般与系统的光轴重合，光阑平面与光轴垂直。 2、孔径光阑：也称有效光阑；限制进入光学系统的成像光束的光孔口径的光阑。决定了轴上点发出的平面光束的孔径角。 5.1 1）孔径光阑处于什么位置，就限制轴上点的光束宽度而言，成像并没有区别。 2）孔径光阑处于什么位置，对轴外点的光束宽度而言，对成像产生较大影响。 3、视场光阑：限制成像范围的光阑称为视场光阑。 4、渐晕光阑：轴外点光束被拦截的现象称“渐晕”，产生渐晕的光阑称为“渐晕光阑”。 5、消杂光光阑：用来拦掉光学系统中非成像或因折射面反射产生的杂光光阑称“消杂光光阑。” 5.1 一、孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 1、孔径光阑： 如图所示， 5.2 光孔Q1QQ2限制着光束大小，决定着孔径角的大小。将此光孔通过其前面的透镜成像到物空间去P1PP2决定了光学系统的物方孔径角U.则P1PP2称为入射光瞳，简称“入瞳”。光孔Q1QQ2通过其后面的透镜在像空间所成的像P1’ P’P2’ 决定了系统像方孔径角U’，称为出射光瞳，简称“出瞳”。光孔Q1QQ2即为孔径光阑。 5.2 1）入射光瞳通过整个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。如果光阑在整个系统的像空间，那它本身就是出射光瞳，反之，在物空间，它就是入射光瞳。 2)将光学系统中所有的光学零件的光孔分别通过 其前面的光学系统成像到整个系统的物空间中去，入射光瞳必然是其中对物面中心张角最小的一个。由物面中心通过入射光瞳边缘的光线称为第一辅助光线。同理，使所有的光学零件通光孔通过其后面的光学零件成像到像空间去，则出射光瞳对像面中心孔角最小； 5.2 2、说明： 3）如果透镜L1和L2完全相同，并对称于光阑放置，其入射光瞳和出射光瞳的大小和正倒完全一样，二者的垂轴放大率为+1。故结构对称于光阑的对称式系统入射光瞳和出射光瞳与光学系统的物方主面和像方主面重合。 5.2 5.2 二、孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳之间的关系、 主光线 1）孔径角 根据高斯公式： 入射光瞳相对于第一个光组（前组）的距离，则由 孔径光阑到第二光组（后组）的距离为 同理可以由高斯公式求得出射光瞳的位置 5.2 式中 为孔径光阑到第一光组的距离， 和 分别为第一光组和第二光组的像方焦距 入射光瞳和光阑之间间的垂轴放大率为 为孔径光阑的直径， 为入射光瞳直径 入射光瞳和光阑之间间的垂轴放大率为 为孔径光阑的直径， 为入射光瞳直径 5.2 则 由 可分别求出入射光瞳和出射光瞳的物方和 像方孔径角 5.2 2）主光线，相对孔径 注意：每个物点仅对应一条主光线。 5.2 三、以光瞳中心为坐标原点的物像关系 以光瞳中心为坐标原点：A1和A’k的位置分别为p,p’。 以F和F’为坐标原点：入瞳和出瞳的位置分别为xz,xz’。 5.2 同理，光瞳处的放大率可写为 由： 5.2 再利用牛顿公式 可得 这就是以入瞳中心为坐标原点的物像位置关系公式，或称为以光瞳中心为坐标原点的高斯公式. 讨论： 1）当 ，光学系统对称于光阑，则 主面与光瞳面重合，有 此时上式变成一般形式的高斯公式 5.2 2）光瞳处的拉赫不变量为 和 为第一近轴光线与入射和出射光瞳平面相交的高度， 和 分别为第二近轴光线在物像空间的夹角。 思考题：根据所学知识，讨论判断出瞳和入瞳的方法？ 一、基本概念 1、视场：任何光学系统都能对系统光轴周围的 空间成像，这就是该系统可能有的视场。 2、视场光阑：在光学系统像平面或者其共轭的 物平面上放置光阑来限制视场的光阑称为视场光 阑。 二、视场光阑的放置： 一个光学系统只能有一个视场光阑，可和物 平面重合，限定物方视场，也可把光阑放置在像 平面，限定像方视场。 5.3 三、视场光阑的度量 1、线视场：用长度来度量。 物方线视场：物高的两倍2y。 像方线视场：像高的两倍2y。 理想光学系统二者关系： 2、视场角：用角度来度量。 5.3 物方视场角：2ω。 像方视场角：2ω’ 。 理想光学系统二者关： 当已知视场半角ω和ω’， 则光瞳角放大率为 3、视场角和线视场的关系 当物体在无限