第五章 光阑

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
若2b,2h在入瞳面内度量,则上式变为:
D D 分子是斜光束在入瞳平 面上垂直于光轴方向上的宽度; 分母是入瞳直径。 K
5.4 渐晕光阑(重点、难点)


3、渐晕系数
A K 2、几何渐晕系数表示式为: A A P
Aw是斜光束在垂轴方向度量的截面积,Ap是轴上点光束在垂轴方向的截面积。 Aw和Ap一般在出瞳位置度量 前面渐晕讨论的图中透光百分比: A: 100% 选其中B2点 B1:100% B2: 50% B3: 0 % 线渐晕系数: 2b D K 0.5 2h D 几何渐晕系数为线渐晕系数的平方:
孔径光阑、入瞳、 出瞳和主光线之 间关系!
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳(重点)



补充(重要常识):
1、什么是第一近轴光?
轴上点发出的,经过入瞳边缘的光线(注意物在有限远和 无限远的区别)。用以计算系统的高斯结构参数(高斯像 面、焦点等)。


2、什么是第二近轴光?
物方视场边缘(轴外)发出的,通过入瞳中心的近轴光线。 用以计算出瞳位置,理想像高等
目前大部分应用光学教材都直接称视场光阑的像是入(出)射 窗,并没有详解其中理由,以上为本人概括,参考资料为《几 何光学和光学设计》王子余著P85~P86,浙江大学出版社。

5.4 渐晕光阑(重点、难点)
暗角 以及LOMO的暗角艺术效果
5.4 渐晕光阑(重点、难点)


2、消除渐晕的条件
只要入射窗(决定了物方视场的大小)与物平面重合,出射窗 与像平面重合就可消除渐晕。

5.1 光阑在光学系统中的作用

3、渐晕光阑: 定义:轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径所拦 截的现像,称为“渐晕”;用以产生渐晕效果的光阑,称 为“渐晕光阑”。
5.1 光阑在光学系统中的作用


4、消杂光光阑
定义:为限制杂散光到达像面而设置的光阑。 镜头成像的过程中,除了正常的成像光束能到达像面外,仍有一部分 非成像光束也到达像面,它们被统称为杂散光。杂散光对成像来说是 非常有害的,相对于成像光束它们就是干扰、噪声,它们的存在降低 了成像面的对比度,影响了成像质量。为了减少杂散光的影响,可以 在设计过程中设置光阑来吸收阻挡杂散光到达像面,为此目的而引入 的光阑都称为消杂光光阑。 一般在镜管加工时, 使内壁成螺纹状, 表面处理成暗黑色, 以达到消除杂光的 目的。


此前我们讲述了如何计算光学系统的物像共轭位置和 成像放大率,除此以外,我们还关心光学系统的成像 范围和分辨能力,因此需要合理的限制成像的光束。 合理的限制光学系统的“通光孔径”,可以优化系统 的横向尺寸,提高成像质量。 光学系统中的零件内孔、透镜框或者单独设置的带孔 金属薄片,统称为光阑;光阑的孔可以是圆形或方形, 大多设计时便固定尺寸,也有可变的(照相系统的光 圈);光阑中心一般与光轴重合,光阑面垂直于光轴。
第五章 光学系统中的光阑



5.1 光阑在光学系统中的作用 5.2 光学系统的孔径光阑、入瞳和出瞳(重点) 5.3 视场光阑(重点) 5.4 渐晕光阑(重点、难点) 5.5 光学系统的景深 5.6 远心光路(重点) 5.7 典型系统中的光阑(重点、难点)
第五章 光学系统中的光阑


以照相系统为例,由于渐晕的存在,最后底片上图像的边缘实 际是从亮到暗变化的区域,暗到一定程度时,我们认为该图像 不可用(传递函数值太低),于是用底片外框拦掉它,以此来 限制了有效的成像范围,并不是是说底片外就完全没有像了。 典型的情况:某些镜头加了遮光罩之后,最后照片上会出现所 谓“暗角”现象,就是不合理拦光的效果。怎么办?缩小光圈!


5.1ห้องสมุดไป่ตู้光阑在光学系统中的作用



二、光阑种类 主要分为:孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑和消杂光光阑。 1、孔径光阑(有效光阑):指限制进入系统的成像光束口径 的光阑。 1)对轴上点:孔径光阑决定了轴上点孔径角的大小。 结论1:轴上点孔径角的大小受光阑大小和位置的影响,孔径角 U由光阑决定,光阑的位置不同,其口径应不同。
5.4 渐晕光阑(重点、难点)

2、关于渐晕形成的讨论
透光百分比: A: 100% B1:100% B2: 50% B3: 0 %
5.4 渐晕光阑(重点、难点)
怎样理解入射窗、出射窗

入射窗和出射窗是视场光阑在物方空间和像方空间的作用 范围,控制的是最后成像范围内的光束口径,这里要和孔 径光阑做个区别,孔径光阑限制的是进入系统的光束口径, 但是这些光最后并不一定都100%参与成像! 当我们把孔径光阑、入瞳和出瞳口径都设想为无穷小(理 想模型),此时物面上只有各点的主光线能够通过这一口 径(光束无限窄,可认为就是主光线),此时在通过入射 窗的拦截,可以明确区分哪些光线参与了最后成像,哪些 没有,也就是说最后到达像面上的光要么100%来自物面 相应点,要么0%,如此说来,视场光阑的像就是入射窗。
A D 2 KA 2 0.25 AP D
5.5 光学系统的景深


一、 景深
1、定义:在景像平面上所获得成清晰像的空间深度(Δ) 2、产生原因:接收器件本身不完善性造成的(衍射的影响)。

5.5 光学系统的景深

假设现有一物面,根据共线成像理论,那么它经系统成像有个 共轭面。称此物面为对准平面,像面为景像平面。现取物面上 一点A,它发出的光经系统成像后,一定会聚于共轭面上一点, 它们是一对共轭点。有一物点B1不在对准平面上,那么按照共 线成像理论,其共轭点也一定不在景像平面上, B1点发出的光 在对准面上成一弥散斑,而在景像平面上也成一弥散斑。如果 我们仍在景像平面进行观察B1不能成清晰像。这是从原理上进 行分析,但实际上由于景像平面作为接收器来说可能有缺陷, 从而导致B1点也被认为成像清晰。 相类似的,再取空间任一点B2,若它在景像平面上也成一足够 小的弥散斑,则系统也将认为它能成清晰像。从而产生了一个 沿轴方向的空间深度,我们称这个空间深度为景深。
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳(重点)


前面已经说过,用以限制进入系统的成像光束口径的光阑,称为孔径 光阑,与之相关的两个重要概念就是出瞳和入瞳。 一、定义: 1、入瞳:孔径光阑经前面的透镜组(光学系统)在物空间所成的像。 入瞳决定了物方最大孔径角的大小,是所有入射光的入口。 2、出瞳:孔径光阑经后面的透镜组(光学系统)在像空间所成的像。 出瞳决定了像方孔径角的大小,且是所以出射光的出口。
一般的,多个透镜组成的 结构复杂的光学系统,为了 提高其轴外点成像质量,会 设置渐晕光阑。 但对于单组光学系统,如简 单的望远镜,显微镜,可以 没有渐晕光阑,分划板就是 视场光阑,分划板的像大致 成像于入窗和出窗面上,满 足消除渐晕的条件。
5.4 渐晕光阑(重点、难点)


3、渐晕系数
2b 1、线渐晕系数表示式为: K 2 h 式中,2b是轴外点发出光束的宽度;2h是轴上点发出光束宽 度(它们都是在垂直于光轴的平面上度量);
5.3 视场光阑(重点)

例题5-2: 计算判断系统的最大视场角。
5.3 视场光阑(重点)

二、入射窗、出射窗
1、入射窗:视场光阑经前面的光组在物空间所成的像; 2、出射窗:视场光阑经后面的光组在像空间所成的像; 入、出射窗之间是共轭的,也可以将出射窗看作是入 射窗经系统所成的像。 3、判断入射窗的方法: 将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对其前 (后)面的光学系统成像到系统的物(像)空间去,并根 据各像的位置及大小求出它们对入(出)瞳中心的张角, 其中张角最小者为入射窗(出射窗)。


NA n1 sin U1
5.3 视场光阑(重点)
一、视场度量的二种方式
1、线视场
物方线视场 ――2y二倍的物高; 像方线视场 ――2y '二倍的像高。 视场光阑多为矩形、方形及圆形。若为圆形,用直径度量;但 若为矩形,应用对角线来表示(如现在的显示屏幕、CCD/CMOS成 像元件)。这就是线视场的度量。很多时候以英寸为单位, 1 inch=25.4mm。 2、视场角 注意和孔径角 U、U’的区别 物方视场角――2ω 像方视场角――2ω' 对不同的物面上的点其视场角不相同。 3、注意: 1)物方视场角定义的时候是2ω,很多情况下,我们都用半视场 ω来表示。 2)视场角也有符号,它也遵循符号原则。 ※描述时注意要以±ωo的形式出现,以免引起误解※

例题5-1: 计算判断系统的孔径光阑,并计算入瞳、出瞳 的位置和大小。
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳(重点)


二、主光线、相对孔径 、光瞳数以及数值孔径
1、主光线:通过入瞳中心的光线叫主光线。 主光线不仅通过入瞳中心也通过孔径光阑中心及出瞳中心。 主光线是物面上发出的充满光学系统入瞳的成像光束的轴线。
注意:此处入(出)射窗的定义与教材不同, 为什么呢?先思考,讲完“渐晕”后解释。
5.4 渐晕光阑(重点、难点)

1、定义:轴外点发出的充满入瞳的光被透镜的通光口径 所拦截的现像,称为“渐晕”;用以产生渐晕效果的光阑, 称为“渐晕光阑”。
有两个渐 晕光阑!
实际上,渐晕现像是普 遍存在的,我们用不着 绝对的消除渐晕。一般 系统允许有50%的渐晕 (拦一半),甚至30% 的渐晕。
第三章中说过,以上两种光线的追迹,属于光路计算中 子午面内的近轴光路计算(详见第八章)!
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳(重点)

2、相对孔径(D入/f ’):系统的入瞳直径与系统的焦 距之比; 3、光瞳数(F数):相对孔径的倒数,即: K=f ' /D入 4、数值孔径NA:物方孔径角的正弦与物方折射率之 积。

5.4 渐晕光阑(重点、难点)

但是实际情况并非如此,孔径光阑、入瞳和出瞳总有一定口径, 也就是说进入系统的光束总是有一定宽度的,那么这些光束中 的某些就会被入射窗拦截掉部分,即在0%~100%之间,此时 的情况称为渐晕,而实现渐晕功能的是渐晕光阑(以及它的 像),所以此时意味着形成入射窗的是渐晕光阑了,这也是我 们教材上称渐晕光阑的像是入射(出射)窗的原因。
第五章 光学系统中的光阑
要求:
了解光阑的基本定义和作用、系统的景深、远 心光路和三种典型的目视光学仪器中的光束限制。
重点内容:
光阑相关的定义;光阑的种类和作用;望远系 统、显微系统、照相系统中的光束限制和特点;远 心光路的定义、光路和应用;景深的定义等。
5.1 光阑在光学系统中的作用


一、光阑 1、定义:光学系统中,用以限制光束的零件的内孔、透镜外框 或者专门设置的带孔金属薄片。 光阑一般垂直于光轴放置,且其中心与光轴中心相重合。 2、形状:光阑多为圆形、正方形、长方形,有些光阑的尺寸大 小是可以调节的(即可变光阑)。 例如:人眼瞳孔就是可变光阑,瞳孔的大小随着外界明亮程 度的不同是可以变化的,白天最小D=2mm,晚上最大,可达 D=8mm。 3、光阑作用:是用内孔限制成像光束大小的,提高成像质量。
5.1 光阑在光学系统中的作用

结论3:在保证成像质量的前提下,合理选取光阑的位置,可使 整个系统的横向尺寸减小,结构匀称。 结论4:系统中的光阑只是针对某一物体位置而言的,若物体位 置发生了变化,则原光阑会失去限光作用。

5.1 光阑在光学系统中的作用

2、视场光阑 定义:用以限制成像范围的光阑。 视场光阑的形状多为正方形、长方形。例如:显微 系统中的分划板就是视场光阑,照相系统中的底片 也是视场光阑。
5.1 光阑在光学系统中的作用

二、光阑种类 2)对轴外点: 结论2:对轴外点B发出的宽光束而言,在保证轴上点 U不变的 情况下,光阑处于不同位置时,将选择不同部分的光参与成像, 这样通过改变光阑的位置,就可以选择成像质量较好的部分光 束参与成像,提高(改善)成像质量。
孔径光阑对轴外点 光束宽度和横向尺 寸的影响
孔径光阑、出瞳和 入瞳,三者之间的 关系!
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳(重点)


3、判断入瞳、出瞳的方法:
将光学系统中所有的光学元件的通光口径分别对其前(后) 面的光学系统成像到系统的物(像)空间去,并根据各像 的位置及大小求出它们对轴上物(像)点的张角,其中张 角最小者为入瞳(出瞳)。
5.2 孔径光阑、入瞳和出瞳(重点)
相关文档
最新文档