工程光学(光阑)(高等课件)

“光阑”。
在光学系统中，不单用装夹光学零件的金属框的内孔来限制光束，有
时还要专门设置一些带孔的金属薄片来限制光束，这些就是专用光阑。专
用光阑的通光孔一般为圆形，其中心线和光轴重合。多数专用光阑的孔径
是固定的，但也有可变的。孔径可变的光阑称为可变光阑，常用于照相物
镜中。又如人眼的瞳孔也是一个可变光阑，其孔径能随外界光线的强弱
第四章 光学系统中的光束限制
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§4.1 光阑及其作用与分类
光学系统都是由若干个透镜组、平面镜、棱镜组成，每个光学零件都 有一定的大小。因此、从物体发出的光束能够进入系统成像的只是其中一 部分。显然，光学零件起到了限制光束的作用。更确切地说，是装夹光学 零件的金属框（如透镜框、棱镜框）限制了成像光束的位置和大小。因此， 我们把系统中起限制成像光束作用的光学零件的金属框称作
D1
D2
A
F
F’ D’2
D1 D’1
D2
A
F
F’
U2 U1
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举例1：如图所示，L1、L2是两个正透镜，A为物点，P是位于两透镜之间的 光孔，已知透镜的焦距f ’1=20mm，f2’=10mm, 物距100mm，间距 d1=40mm, d2=20mm，直径D1=D2=6mm，DP=2mm, 求此系统的孔径光阑。
3．当轴上物点位于无限远时，只须比较各镜框或专用光阑被其前面光组 所成像的大小，其中径最小的光阑像所对应的光阑就是孔径光阑。
例题：有个光路，它是由一个透镜和一个光阑组成，用作图法求它的孔径 光阑。
1. 将D1，D2在物方求像。由于D1前面没有光组，因而它在物方的共轭像D1’
就是它自己。
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2. D2对D1成像，求D1’、D2’的像对光轴张的孔径角最小的是入瞳，它对应 的光阑是孔径光阑。
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而自动改变：当外界景物过亮时，瞳孔缩小以减少进入眼睛的光束，避免 过度刺激视神经细胞；当外界景物较暗时, 瞳孔的直径变大，使进入眼睛
的 光能增多，以便看清昏暗中的物体。 光阑根据其在光学系统中的不同作用可分为以下几种：
孔径光阑——用来限制进入光学系统的成像光束的光阑。孔径光阑的 大小决定进入系统光能的多少，即决定像平面的照度。孔径光阑的位置在 某些光学系统中有特殊要求。如在目视光学仪器中，孔径光阑被其后方光 组所成的像一定要位于光学系统之外，以便使眼睛的瞳孔与之衔接，达到 良好的观察效果。此外，合理地设计孔径光阑的位置，可以在一定程度上 改善轴外物点的成像质量。
消杂光光阑——用来限制进入光学系统杂光的光阑。光学系统的杂光一 般是由折射面和镜简内壁的反射光产生，它会降低像平面的衬度。因此，在 一些要求较高的长焦距照相物镜中必须设置几个光阑以遮拦杂光。通常，系 统中并不设置消杂光光阑而是在镜管内壁加工细内螺纹或涂以黑色无光漆以 消除杂光。
§4.2 孔径光阑
（一）孔径光阑的定义和作用
定义：用来限制进入光学系统的成像光束的光阑，被称为孔径光阑。
作用：
1、孔径光阑可以限制轴上点的成像光束，同时也具有限制轴外点的成像光
束。
2、孔径光阑的位置对于轴外点的成高像级课有件着非常大的影响。
3
孔径光阑对轴上点光束的限制：由图可以看出，放在什么位置，效果一样。
-u
u’
-u
u’
-u
u’
孔径光阑对轴外点光束的限制：孔径光阑位置不同，轴外点参与成像的光 束的位置也不同，光束通过透镜的部位也不同。孔径光阑的位置影响透镜 口径的大小。当光阑位于透镜上时，透镜口径最小。
视场光阑——决定物平面或物空间成像范围的光阑。在多数光学系统 如照相机、显微系统中，视场光阑的位置常被设置在系统物镜的像平面上， 这样，视场才能具有清晰的边界。
渐晕光阑——就是对轴外物点高的级成课件像光束刻意产生部分限制作用的2光
域物点的光束出现减弱的现象。渐晕光阑的作用是为了改善轴外点的成像质 量或减小部分光学系统的横向尺寸。
1 ．让每一个透镜框和专用光阑分别由它前面光组依次作反向光路成像， 得出各自像的位置和大小。系统最前面的那个透镜框的像与它本身重合， 也计入这些像之内。
2．自轴上物点向这些光阑的像做边缘延伸光线，然后比较它们的孔径角 的大小。其中孔径角较小的光阑的像是入射光瞳，它所对应的光阑就是系 统的孔径光阑。孔径光阑被它后面光组成像，这个像就是出射光瞳。
100
l' 40 1,
l 40
得DP' DP 1 2 2m m(计 算 直 径 大 小 可 不 考 虑符 号)
再 将 透 镜L2对L1成 像 ：
1 1 1 l' 60 20
得 ：l' 30m m
l' 30 0.5,
l 60
得D2' D2 0.5 6 3m m
D1=6
DP=2 D2=6
A
L1
L2
P
－100
40
20
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解：求出所有光学元件在物空间的像，为此将整个系统翻转1800
求光孔P经透镜L1成像：
D2=6 DP=2 D1=6
1 1 1 l' l f '
A
L2
P
L1
1 1 1 l' 40 20
得 ：l' 40m m
-20 -40
出瞳
入瞳
L1
L2
B’
A
y’
-y
A’
B
高级课孔件径光阑
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当系统的入瞳确定后，通过入瞳中心的光线称为轴外物点的主光线，它代 表了该物点的中心光束。主光线与光轴的夹角为视场角ω 。如果设物距l, 入瞳距lz，物高与视场角的关系为：
y (lZ l)tg
入瞳
主光线
－ω
y
－l
lZ
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（三）孔径光阑的判断
透镜L1本身在物空间不必成像。将上述所有成像结果再转回1800， 得到下图。
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D’P D’2
D1=6
DP=2 D2=6
A
uP
u2
u1 L1
P
L2
-30 -40 -100
40
20
tgu1

D1 / 2 100

6/2 100

0.03
tgu2

D2' / 2 100 30
B
C A
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（二）入射光瞳、出射光瞳 入射光瞳：孔径光阑经其前面的光组在物空间的像。也就是从透镜左向右方 观察所看到的孔径光阑的像。 出射光瞳：孔径光阑经其后面的光组在像空间成的像。 入射光瞳、出射光瞳和孔径光阑三者是共轭关系。 入射光瞳是光束进入系统的公共入口，出射光瞳是光束射出系统的公共出口。