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1、*1第五章 光学系统中成像光束 的选择*2 组成光学系统的所有零件都有一定的 尺寸大小 实际的光学系统除了应满足前述的物象 共轭位置关系和成像放大率的要求外， 还要有一定的成像范围 没有对光学零件的大小加以限制 *3 装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边 缘就是限制光束的光孔，这个光孔对光 学零件来说被称为“通光孔径” 由一点发出能进入透镜或光学系统的光 束，其立体角大小决定于透镜的直径 5-1 光阑及其作用 *4 光阑的定义： 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， 光学中这种限制成像光束的光孔称 为光阑光阑。 光孔的大小是可变化的，这种光阑 称为“可变光阑可变光阑”
2、光阑是实际光学系统成满意（完善）像必 不可少的零件。 *5光阑在光学系统中的作用： 决定像面的照度。 决定系统的视场。 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 拦截系统中有害的杂散光。*6光阑按上述的作用分为： 孔径径光阑阑 视场视场 光阑阑 消杂杂光光阑阑 渐晕渐晕 光阑阑孔径光阑：孔径光阑：它是限制轴上物点成像光束 立体角（锥角）的光阑。也就是起到决定能通过光学系统的光能（即像平面照度）作用的光阑。 *7以普通照相机来说明光阑可变光阑底片*8 视场视场 光阑阑 限制物平面或物空间能被光学系统成 像的最大范围的光阑称为视场光阑。 渐晕渐晕 光阑阑 光阑以减少轴外像差为目的
3、，使物空 间轴外点发出的、原本能通过上述两 种光孔的成像光束只能部分通过，这 种光阑称为渐晕光阑。*9 消杂杂光光阑阑 这种光阑不限制通过光学系统中的成像光束，只 限制那些从非成像物体射来的光、光学系统各折 射面反射的光和仪器内壁反射的光等，这些光阑 称为消杂光光阑。 物镜消杂光光阑分划板*105-2 孔径光阑、入瞳、出瞳v例5-1 已知一光学系统由三个零件组成，v透镜1其焦距 f1= - f1 =100mm，口径D1 = 40mm；v透镜2的焦距f2= - f2 =120mm，口径D2 = 30mm，v它和透镜1之间的距离为d1 = 20mm；v光阑3口径为20mm，它和透镜2之间的距离d2
4、 = 30mm。v物点A的位置L1 = -200mm;v试确定该光组中，哪一个光孔是孔径光阑。 *11 解：由于透镜1的前面没有任何光组，所以它本身 就是在物空间的像。 先求透镜镜2被透镜镜1所成的像。因为为 f1= - f1 =100mm，l = 20mm，利用高斯公式：*12 再求光阑3被前面光组所成的像。 必须注意：为了求得光阑3在物空间的像，要使它 对透镜1、2成像。*13 先求光阑3被透镜2所成的像，在求该像被透 镜1在物空间所成的像。 求法如上，因为为l 2 = 30mm， y2 = D3 / 2 = 10mm，利用高斯公式得*14 y2对对透镜镜1来说来说 是像，故 y1 = y
5、2 =13.33mm 因为为l2 = l1 d1 ，所以 *15 再对对透镜镜1求此像所对应对应 的物，仍利用高斯 公式： 求物平面中心点A对对各光阑阑像的张张角（在物 空间间的像）*16 物点A对对光阑阑D1 的张张角 对对D2 的张张角 对对光阑阑D3 的张张角 u2 为为最小，说说明光阑阑像D2 限制了物点的 孔径径角，故透镜镜2为为孔径径光阑阑。 *17-y-U PP1P2PP1P2UyQQ2Q出射光瞳入射光瞳孔径光阑L1L2U 物方孔径角U 像方孔径角*18 将此光阑Q1Q Q2通过其前面的透镜成 像到物空间去，则其像P1PP2 就决定 了光学系统的物方孔径角（由孔径光 阑决定的光锥
6、角称为孔径角孔径角）U （这一限制轴上点轴上点光束孔径角的光阑 ）孔径光阑被其前面的光组在光学系 统物空间所成的像称为入射光瞳，简 称入瞳。 *19 孔径光阑Q1QQ2被其后面的透镜（光 组）在像空间所成的像P1PP2 称为 出射光瞳，简称出瞳，其决定了系统 像方孔径角U 与入射光瞳、出射光瞳对应的那个实 际起着限制光束作用的光阑Q1QQ2即 为孔径光阑。*20 入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是 出射光瞳 入瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。 如果光阑在整个光学系统的像空间， 那么它本身也就是出射光瞳； 反之，若在物空间，它就是入射光瞳*21 将光学系统中所有光学零件的通光孔分别通过其前面的
7、光学零件成像到整个系统的物空间去，系统的入射光瞳必然是其中对物面中心的张角为最小的一个。 *22QQQ2A -UP1PP2入射光瞳孔径光阑L1L2L2*23PL1AU孔径光阑QQ2QL2P P 出射光瞳L1*24通过入射光瞳中心的光线称为主光线 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。 显然，主光线是各个物点发出的成像 光束的光束轴线。 光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重 要性能参数之一。 它不但决定了像面的照度，而且还决 定了光学系统分辨能力 *25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 显微系统和投影系统的物镜常用nsinUmax表示，被
8、称之为 数值孔径，用NA表示，即 n 物方空间的介质折射率。 物方孔径角Umax越大，其数值孔径也越大 进进入系统统的光能越多，理论论分辨本领领越高*26 望远系统和摄影系统常用相对孔径A来表示 D 入瞳直径径 f物镜镜焦距 相对对孔径径A越大，表明能进进入系统统的光能也越多 而照相机，则则常用另一个术语个术语 光阑阑指数数，用F 来来表示，它它是相对对孔径径的倒数数，即 F俗称光圈，相对孔径越大时，光圈数值愈小。 *27必须注意： 光学系统的孔径光阑只是对一定位置的 物体而言的 如果物体位置发生变化，原来限制光束的孔径光 阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔 所限制。 对于无限远的物体
9、，光学系统的所有光孔被其前 面的光学零件在物空间所成的像中，直径最小的 一个光孔像就是系统的入瞳。*28补充： Field Stop and Aperture Stop Aperture stop determines the amount of light reaching any given point in the image and therefore controls the brightness of the latter. Field stop determines the extent of the object, or the field, that will be repr
10、esented in the image.Aperture stopField stop*29Aperture and Field Stops*30 Any element, be it the rim of a lens or a separate diaphragm, which determines the amount of light reaching the image is known as the aperture stop, abbreviated as A.S. The element limiting the size or angular breadth of the
11、object which can be imaged by the system is called the field stop or F.S.-it determines the field of view of the instrument. While the aperture stop controls the number of rays from an object point reaching the conjugate image point, it is the field stop which will or will not obstruct those rays in
12、 toto.*31 Another concept, quite useful in determining whether or not a given ray will traverse the entire optical system, is the pupil. This is simply an image of the aperture stop. The entrance pupil of a system is the image of the aperture stop as seen from an axial point on the object through th
13、ose elements preceding the stop. In contrast, the exit pupil is the image of the A.S. as seen from an axial point on the image plane through the interposed lenses, if there are any.补充： Entrance and Exit Pupils*32*33 Notice that all of this just means that the cone of light actually entering the opti
14、cal system is determined by the entrance pupil while the cone leaving it is controlled by the exit pupil. If you wanted to use a telescope or a monocular as a camera lens, you might attach an external front aperture stop to control the amount of incoming light for exposure purposes.*34*35Entranc e p
15、upilExit pupilP and P, E and E, and L and L are pairs of conjugate pointsHow an aperture stop and its image can become the exit and entrance pupils, respectively, of a system. the situation of a distant object *36 Since PEL is inside the focal plane, its image PEL lies in the object space and is virtual and erect. It is called entrance pupil, while the real aperture PEL is called the aperture stop. When it lies in the image space as it does here is becomes the exit pupil. The diaphragm which acts as a field stop is usually made to co
