光学系统中的光束限制

第九章 光学系统像差基础
第一节 光学系统中的光阑及其作用
光学系统除满足物像共扼位置和成像放大率 的要求外，还要有一定的成像范围，以及为获得 一定的像面照度和反映物面细节的能力,在成像 范围内各物点应具有适当的光束口径，这就是光 束限制的问题。
实际光学系统与理想光学系统不同，其参与成 像的光束宽度和成像范围需要限制:
在光学系统中，用于限制成像光束口径、或者限制 成像范围的光孔或框，都统称为“光阑”。
光阑 —— 光学系统中的通光孔， 或：限制成像光束孔径角的光学元件。
作用：1. 限制成像光束孔径角大小；2. 限制和选择轴外 点成象光束； 3. 控制光通量；4. 挡掉杂散光
光学系统中的光束限制
一、光阑分类
按作用 孔径光阑 可分为： 视场光阑
(1) 自然限制：光学元件的有限尺寸； (2) 人为限制：金属圈(框)或成像底片。
光学系统中的光束限制
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怎样合理限制光束以满足成像要求，解决横 向和纵向成像范围，像面清晰度和亮度均匀性， 像差，观察效果等问题，是通过光学系统各零件 一定的横向尺寸来实现的，均与光阑有关，或者 说，光束限制是通过“光阑”来实现的。
透镜
前一课小结
两光组的组合
f ' f 1
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光学系统中的光束限制
本课提纲
一、孔径光阑 1、孔径光阑的定义、作用和判断方法； 2、入瞳、出瞳的定义、性质和求解方法；
二、视场光阑 视场光阑的定义、判断方法、视场大小的确定方法。 三、渐晕光阑
了解渐晕光阑的定义和判断方法。 四、景深 五、几何像差
光学系统中的光束限制
渐晕光阑
限制轴上点成像光束孔径角的大小 限制横向视场的大小 产生像面亮度渐晕(即亮度渐弱)
消杂光光阑 消除杂散光
孔径光阑和视场光阑是任何光学系统都有的两种 主要光阑。
光学系统中的光束限制
二、孔径光阑：在光学系统具有的多个光阑中，限制
成像光束口径大小的光阑（限制作用 最大），也称为“有效光阑”。
作用：限制和选择成像光束，调节入射光能和像质； 特点：总有且只有一个通光孔是孔径光阑。 影响：像面亮度，清晰度，景深，像差，观察效果等。
注：通过入瞳中心的光线称为主光线，它也同时通过孔经光阑和出射光瞳中心。
对理想光学系统而言，主光线（或主光线的延长线）必通过入瞳、孔径光阑
和出瞳的中心。
光学系统中的光束限制
实际光学系统中， 孔径光阑和视场光阑是同时存在的，由入瞳中心至 入射窗直径边缘所引连线的夹角，或者说，过入射窗边 缘两点的主光线间的夹角称为物方视场角，用2w表示; 同样，由出瞳中心至出射窗直径边缘所引连线的夹 角，也就是过出射窗边缘两点的主光线间的夹角称为像 方视场角，用2w ’表示．
轴外点成像光束，以改善轴外物点成像质量及减小仪
器的径向尺寸。
光学系统中的光束限制
**消杂光光阑：仪器中能遮挡和吸收杂散光的元件
• 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 和仪器壳体内壁反射的光。这些光称为杂光。 • 杂光最后进入成像面，将使像面叠加一明亮背景，使 像的衬度降低。为此需要利用消杂光光阑尽量把杂光拦掉 ，起着改善像质的作用。 • 在一般光学系统中，常常采用把镜管内壁加工成内螺 纹并使其发黑等措施消杂光；对某些镜筒很长的重要光学 系统(如天文望远镜，长焦距平行光管等)，需要专门设计 消杂光光阑。
在实际光学系统中，孔径光阑的位置和大小， 亦即入射光瞳或出射光瞳的位置和大小是十分重
要的参量。
孔径光阑的大小是由光学系统对成像光能量 的要求和对物体细节的分辨能力的要求而决定。
孔径光阑的位置则直接影响光学系统成像的 清晰度和光学系统中各零件的尺寸。
孔径光阑对入射光束有很直接的选择作用，对于轴 上物点和轴外物点，其限制或选择作用不同。
光学系统中的光束限制
入瞳、出瞳及其共轭关系
孔径光阑经其前面的透镜或透镜组在物空间所成的像 称为入射光瞳，简称入瞳，它是入射光束的入口。 孔径光阑经其后面的透镜或透镜组在像空间所成的像 称为出射光瞳，简称出瞳，它是出射光束的出口。
光学系统中的光束限制
显然，入射光瞳、孔径光阑、
出射光瞳三者是相互共轭的。
特点：可能有，可能没有；若有，则只有一个。 一般设在实像平面上。其形状根据系统的要求为
圆形(如显微，望远等系统)或方形、矩形(如照相系统) 光学系统中的光束限制
等形状。
视场光阑经其前面光学系统成的像称入射窗，简称入 窗；视场光阑经它后面光学系统成的像称出射窗，简称出 窗．入射窗和出射窗对整个光学系统是共扼的。
光学系统中的光束限制
孔径光阑的位置在有些光学系统中有特定的要求 ，如目视光学系统，出射光瞳一定要在系统外，以 便与眼瞳重合，达到良好的观察效果。
如无特殊要求，光学系统中孔径光阑位置的合理 选择可以对光学零件口径提出合理的要求。
孔径光阑光位学置系统对中光的学光束零限件制 口径的影响
光学系统中孔径光阑位置的合理选择也可以改善 轴外点成像光束的质量：
对整个光学系统来说，出射光瞳也是入射光瞳的像 ，二者对整个光学系统是共扼的。
若孔径光阑的位置对整个光学系统而言， 孔径光阑位于光学系统的最前端，则孔径光阑就
是入瞳； 若孔径光阑位于光学系统的最后端，则孔径光阑就
是出瞳。 入瞳:它决定了光学系统物方的成像光束的孔经角,可
看成成像光束的公共的入口。 出瞳:它决定了光学系统像方的孔径角，可看成成像 光束的公共出光学口系统。中的光束限制
光学系统中的光束限制
**渐晕光阑
导致像面亮度渐晕(即渐弱)的光阑， 或：限制轴外点成像光束宽度的光阑。
A B
C
渐晕光阑
C’ 低 B’
高 亮度
特点：可能有，可能没有；若有，则可能有多个。
渐晕：由于实际透镜的有限口径尺寸，轴外点光束
较之轴上点光束宽度小很多，导致像平面边缘部分
成像比中心部分暗的现象。
渐晕光阑多为透镜框。渐晕光阑的作用是参与限制
孔径光阑对轴上 点光束的限制：
孔径光阑对轴外点光束的限制：
(a)
(b)
光学系统中的光束限制
光学系统中的光束限制
三、视场光阑
光学系统能够清晰成像的范围也是有限 的，能清晰成像的范围在光学系统中称为视 场，视场的大小也有相对应的光阑来加以限 定，这种光阑称视场光阑。
实像面上的通光孔限制了 物空间垂轴方向成像范围
光学系统中的光束限制
当物体在无限远时，习惯用前面定义的视场角2w或2w ’表示 角视场．当物体在有限距离时，习惯用入瞳(或出瞳)中心与入窗 (或出窗)边缘连线和物面交点之间的线距离来表示视场，称线视 场2y(或2y’)．
无论是用角视场还是线视场来表示成像范围，其成像范围的 大小均由入射窗或出射窗的大小决定。