工光光學(xué)系統(tǒng)的光束限制

工光光學(xué)系統(tǒng)的光束限制第一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日本章內(nèi)容漸暈光闌及場(chǎng)鏡的應(yīng)用4概述1孔徑光闌2視場(chǎng)光闌3景深和遠(yuǎn)心光路5第二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/42設(shè)計(jì)時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于要求成像范圍以內(nèi)的物點(diǎn)，以要求的孔徑角光束成像。D和2u大，傳過(guò)的能量多，分辨率高2y大，成像范圍大理論上希望大些，但會(huì)引起像差，反而使像的質(zhì)量差，因此要給予適當(dāng)?shù)南拗仆哥R的大小限制A點(diǎn)發(fā)出的光束孔徑角底片的大小限制成像范圍都是對(duì)光束的限制，稱光闌第三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/431.光闌的定義：§5.1概述光學(xué)系統(tǒng)中，對(duì)光束起限制作用的光學(xué)元件稱為光闌。光闌一般都是垂直于光軸放置的，且其中心與光軸中心相重合2.光闌的形狀：光闌的形狀包含了圓形，正方形，長(zhǎng)方形，有些光闌的尺寸大小是可以調(diào)節(jié)的。3.光闌的作用：光闌用于限制成像光束的大小光闌用于限制成像的范圍。第四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/444.光闌的分類1.孔徑光闌光學(xué)系統(tǒng)中用于限制成像光束大小的光闌稱為孔徑光闌。描述成像光束大小的參量——孔徑。近距離物體成像——孔徑角限制軸上點(diǎn)成像光束中邊緣光線的最大傾角（孔徑角）。遠(yuǎn)距離物體成像——孔徑高度限制平行入射的成像光束的最大高度?？讖焦怅@的位置——隨系統(tǒng)而異有特定要求的，如目視光學(xué)系統(tǒng)，孔闌或孔闌的實(shí)像一定要在外面，眼睛能與之重合，以接受全部成像光束；遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，孔闌在焦平面上。其他的，可以選擇，以改善成像質(zhì)量。第五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/452.視場(chǎng)光闌光學(xué)系統(tǒng)中用于限制成像范圍大小的光闌稱為視場(chǎng)光闌。描述成像范圍大小的參量——視場(chǎng)。限制物平面或物空間中多大范圍能被成像。近距離物體成像——物高遠(yuǎn)距離物體成像——視場(chǎng)角

視場(chǎng)光闌的位置一般設(shè)在實(shí)像平面或中間實(shí)像平面上。有時(shí)也設(shè)置在物面上。第六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/463.漸暈光闌光闌以減小軸外像差為目的，使物空間軸外點(diǎn)發(fā)出的、本來(lái)能通過(guò)孔徑光闌和視場(chǎng)光闌的成像光束只能部分通過(guò)，稱漸暈光闌。漸暈光闌的設(shè)置使得軸外物點(diǎn)通過(guò)系統(tǒng)的光束小于軸上物點(diǎn)，其主要目的是為了改善軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量或減小部分光學(xué)元件的橫向尺寸。4.消雜光光闌用于限制一些非成像光線的光闌稱為消雜光光闌。只對(duì)那些從視場(chǎng)外射入系統(tǒng)的光能和由鏡頭內(nèi)部的光學(xué)表面、金屬表面及鏡筒內(nèi)壁的反射和散射所產(chǎn)生的雜散光起部分限制作用。大型光學(xué)儀器，必須設(shè)置專門的消雜光光闌一般光學(xué)儀器，將鏡筒內(nèi)部車成螺紋，并涂黑或作發(fā)黑處理來(lái)減少雜散光的影響。第七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/47何為孔徑光闌要依當(dāng)時(shí)的條件而定。物體位置變了，孔徑光闌可能會(huì)變。當(dāng)物體位置一定時(shí)，有一個(gè)光孔最限制成像光束的寬（角）度——孔徑光闌一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)有若干個(gè)透光孔，何為孔徑光闌——限制成像光束的最大光束的光孔錯(cuò)誤觀點(diǎn)1：第一個(gè)光孔是孔徑光闌錯(cuò)誤觀點(diǎn)2：光孔小的是孔徑光闌假設(shè)同在物空間有三個(gè)光孔？§5.2孔徑光闌第八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/48怎樣找？應(yīng)使所有光孔處于同一空間判斷孔徑光闌的步驟：（1）首先求出所有通光闌在系統(tǒng)物方的共軛“像”（位置和大小）。即對(duì)每一光闌，按從右到左，被其左方的光學(xué)系統(tǒng)成像，得到所有光闌在物方空間的共軛“像”。（2）確定這些共軛“像”在物方的光束孔徑角（當(dāng)物在無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，確定所允許的光束高度），即計(jì)算給定的軸上物點(diǎn)對(duì)各光闌在物方的共軛“像”邊緣的張角。（3）比較得出其中最小的孔徑角（物在無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)為最小的孔徑高度）所對(duì)應(yīng)的光闌，該器件即為所求的孔徑光闌。第九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/49第十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/410第十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/411第十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/412入射光瞳和出射光瞳孔徑光闌在光學(xué)系統(tǒng)的物空間的共軛像稱為入射光瞳，簡(jiǎn)稱入瞳；孔徑光闌在光學(xué)系統(tǒng)的像空間的共軛像稱為出射光瞳，簡(jiǎn)稱出瞳；孔徑光闌、入瞳、出瞳三者互為共軛關(guān)系，它們對(duì)成像光束的限制作用是等價(jià)的。第十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/413入瞳孔闌出瞳孔闌前的光學(xué)系統(tǒng)共軛孔闌后的光學(xué)系統(tǒng)共軛共軛入射光瞳出射光瞳物方孔徑角像方孔徑角入瞳和出瞳的圖解法第十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/414入射光瞳出射光瞳物方孔徑角像方孔徑角通過(guò)入瞳中心的光線必通過(guò)孔闌中心，并過(guò)出瞳中心。通過(guò)入瞳邊緣的光線必通過(guò)孔闌邊緣，并過(guò)出瞳邊緣。物方孔徑角2U，像方孔徑角為2U'，2U最小，2U'也必最小。入瞳是物面上所有各點(diǎn)發(fā)出的光束的共同入口；出瞳是物面上各點(diǎn)發(fā)出光束經(jīng)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)以后從最后一個(gè)光孔出射的共同出口。第十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/415孔徑光闌或入瞳或出瞳的位置在一些光學(xué)系統(tǒng)中有特殊要求。如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等目視光學(xué)系統(tǒng)中，要求出瞳與人眼的入瞳重合，處于目視光學(xué)系統(tǒng)以外；遠(yuǎn)心光路則要求出瞳處于焦點(diǎn)，以減小測(cè)量誤差等。物點(diǎn)與入瞳中心的連線稱主光線。主光線也通過(guò)孔闌和出瞳的中心。主光線和光軸的夾角稱為視場(chǎng)角w。

入射光瞳出射光瞳物方孔徑角像方孔徑角第十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/416視場(chǎng)光闌在光學(xué)系統(tǒng)中起著限制成像范圍（或稱視場(chǎng)大?。┑淖饔?。一般情況下，視場(chǎng)光闌多設(shè)置在像面或物面上，有時(shí)也設(shè)在系統(tǒng)成像過(guò)程中的某個(gè)中間實(shí)像面上。物或像的大小直接受視場(chǎng)光闌口徑的限制，視場(chǎng)光闌口徑以外的部分將被阻擋而不能成像，系統(tǒng)成像的范圍有著非常清晰的邊界。視場(chǎng)光闌的大小通常由光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求來(lái)決定?！?.3視場(chǎng)光闌第十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/417視場(chǎng)光闌在光學(xué)系統(tǒng)的物空間的共軛像稱為入射窗，簡(jiǎn)稱入窗；視場(chǎng)光闌在光學(xué)系統(tǒng)的像空間的共軛像稱為出射窗，簡(jiǎn)稱出窗；視場(chǎng)光闌、入窗、出窗三者互為共軛關(guān)系，它們對(duì)視場(chǎng)的限制作用是等價(jià)的。入射窗和出射窗第十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/418視場(chǎng)范圍的計(jì)算第十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/419漸暈的概念及漸暈系數(shù)由軸外物點(diǎn)發(fā)出并充滿入瞳的光束，有一部分光被系統(tǒng)后面的光闌阻擋而不能到達(dá)像面，這種使軸外物點(diǎn)光束被限制的現(xiàn)象稱為漸暈。當(dāng)視場(chǎng)光闌與物面或像面不重合時(shí)，視場(chǎng)必然產(chǎn)生漸暈。光孔離孔闌越遠(yuǎn)越易引起漸暈第二十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/420第二十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/421漸暈系數(shù)面漸暈系數(shù)=軸外點(diǎn)光束在入瞳上的截面積／入瞳面積線漸暈系數(shù)=軸外點(diǎn)光束在入瞳上的高度／入瞳直徑用什么來(lái)描述漸暈嚴(yán)重程度第二十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/422KD=1，這以內(nèi)是無(wú)漸暈成像范圍，充滿入瞳的光全通過(guò)，像面照度均勻KD=0.5，恰使主光線通過(guò)，半漸暈KD=0，最大成像范圍第二十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/423第二十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/424討論：當(dāng)孔闌變小時(shí)，被攔的光線增多，軸外點(diǎn)能通過(guò)的光能減少。當(dāng)孔闌大小→0時(shí)，物面上所有點(diǎn)只有一條主光線通過(guò)。第二十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/425當(dāng)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)無(wú)視場(chǎng)光闌時(shí)：將所有光孔投射到第一個(gè)光孔的物空間時(shí)，對(duì)入瞳中心張角最小的那個(gè)光孔“像”所共軛的光孔稱漸暈光闌；將所有光孔投射到最后一個(gè)光孔的像空間，對(duì)出瞳中心張角最小的那個(gè)光孔“像”所共軛的光孔稱漸暈光闌；當(dāng)孔徑光闌無(wú)限小時(shí)，漸暈光闌直接限制了成像范圍，因此過(guò)去也稱其為“視場(chǎng)光闌”，稱其像為“入射窗”、“出射窗”。當(dāng)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)有視場(chǎng)光闌時(shí)：也可能有漸暈光闌，此時(shí)漸暈光闌起攔光作用。為什么叫漸暈光闌因?yàn)樗拗频囊晥?chǎng)邊界是不清晰的第二十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/426兩個(gè)問(wèn)題是否所有光學(xué)系統(tǒng)都要無(wú)漸暈當(dāng)孔徑和視場(chǎng)都較大時(shí)，無(wú)漸暈既無(wú)必要也不可能。因?yàn)檫h(yuǎn)離孔闌的透鏡直徑不能做得太大，且適當(dāng)攔掉偏離理想成像狀態(tài)較遠(yuǎn)的即像差較大的軸外光束有利于改善像質(zhì)。故常有適當(dāng)漸暈。一般允許50%，必要時(shí)30%。漸暈光闌是否只有一個(gè)漸暈光闌的像在入瞳后，攔上光線漸暈光闌的像在入瞳前，攔下光線以上是單向攔光，相當(dāng)于孔闌位于光學(xué)系統(tǒng)之外。但孔闌在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)，可能有兩個(gè)漸暈光闌，一個(gè)攔上光線，另一個(gè)攔下光線。特別是全對(duì)稱系統(tǒng)，必有兩個(gè)漸暈光闌?！?.4漸暈光闌及場(chǎng)鏡的應(yīng)用第二十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/427第二十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/428第二十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/429第三十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/430第三十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/431有的光學(xué)系統(tǒng)不允許有漸暈，又不希望透鏡有過(guò)大的口徑，通常采用場(chǎng)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。場(chǎng)鏡就是在系統(tǒng)的中間像面或其附近加入的正透鏡，場(chǎng)鏡能夠改變成像光束的位置，而不影響系統(tǒng)的光學(xué)特性。無(wú)限遠(yuǎn)物體經(jīng)物鏡所成的像要恰好落在場(chǎng)鏡的物方主面上，通過(guò)場(chǎng)鏡所成的像在場(chǎng)鏡的像方主面上，大小相等，所以場(chǎng)鏡的加入不影響系統(tǒng)的光學(xué)特性，但場(chǎng)鏡對(duì)軸外物點(diǎn)的光線產(chǎn)生作用，降低了它們射向目鏡時(shí)的高度，由此，目鏡的口徑可以因此而變小。第三十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/432某些光學(xué)系統(tǒng)要求部分空間或整個(gè)空間成像于一個(gè)像面上，這可能嗎？§5.5景深和遠(yuǎn)心光路第三十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/433某些光學(xué)系統(tǒng)要求部分空間或整個(gè)空間成像于一個(gè)像面上，這可能嗎？為什么看照片時(shí)無(wú)立體感，遠(yuǎn)近皆清楚？理論上，只有共軛的物平面才能在像平面上成清晰像，其他物點(diǎn)所成的像均為彌散斑。但當(dāng)此斑對(duì)眼睛的張角小于眼睛的最小分辨角1'時(shí)，人眼看起來(lái)仍為一點(diǎn)。此時(shí)，該彌散斑可認(rèn)為是空間點(diǎn)在平面上的像。入瞳出瞳§5.5景深和遠(yuǎn)心光路第三十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/434對(duì)準(zhǔn)平面遠(yuǎn)景平面近景平面景像平面遠(yuǎn)景深近景深第三十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/435遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)——孔闌設(shè)于焦平面上物方遠(yuǎn)心光路——孔闌與F'重合，入瞳位于物方無(wú)窮遠(yuǎn)，物方主光線平行于光軸。像方遠(yuǎn)心光路——孔闌與F重合，出瞳位于像方無(wú)窮遠(yuǎn)，像方主光線平行于光軸。第三十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2023/2/436測(cè)量用光學(xué)系統(tǒng)——測(cè)AB長(zhǎng)度A'B'hhA1B1A1'B1'B'A'A1'B1'若調(diào)焦于A1B1，將在分劃板上得彌散斑，量得的長(zhǎng)度h比A'B'略長(zhǎng)。AB分劃板A1B1AB分劃板像面與分劃板不重合的現(xiàn)象——視