工程光学第6章:光学系统中的光束限制
第六章
光学系统中的光束限制
1
6.1 光阑
通常,光学系统中用一些中心开孔的薄金属 片来合理地限制成像光束的宽度,位置和成 像范围.这些限制成像光束和成像范围的薄 金属片称为光阑.
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1.孔径光阑
(1)孔径光阑的定义与作用
-u
u'
图6-1
u = 0.024
- 5 ×显微物镜
u ′ = 0.12
3
孔径光阑
孔径光阑
-u
u'
图6-2 限制孔径角的光阑
4
孔径光阑
-u
u'
图6-3 孔径光阑安放在透镜上
5
孔径光阑
-u
u'
图6-4 孔径光阑安放在透镜后
6
孔径光阑
B C
A
图6-5 孔径光阑位置对轴作物点成像光束位置的选择
7
孔径光阑 (2)入射光瞳和出射光瞳
光圈(孔径光阑)
图6-6 照相机镜头中的孔径光阑
8
孔径光阑
入瞳 像 物
图6-6a 孔径光阑与入瞳
9
孔径光阑
像 出瞳 物
图6-6b 光阑与出瞳
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孔径光阑 (3)关于孔径光阑需要注意的几个问题
A
① 物平面位置有 了变动,究竟 谁是真正起限 制轴上物点光 束宽度作用的 孔径光阑?
B
图6-7 物体位置变动后谁是孔径光阑
11
孔径光阑
②. 如果几块口径一定的透镜组合在一起形成一个镜头,对 于确定的轴上物点位置,要找出究竟那个透镜的边框是孔 径光阑? (i) 追迹光线 (ii) 透镜成像 ③. 孔径光阑位置的安放原则在不同的光学系统中是不同的. (i)在目视光学系统中 (ii)在投影度量光学系统中 (iii)当仪器不对光阑位置提出要求时 (iV)合理地匹配光学系统各元件的口径
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2.视场光阑
(1)视场光阑的定义与作用
限定成像范围
(2)入射窗和出射窗
视场光阑经它前面的光学系统所成的像 视场光阑被其后面的光学系统所成的像
(3)有的系统中,如果在像面处无法安放视场光阑, 在物面处安放视场光阑又不现实,成像范围的分析 就复杂一些. 13
6.2
照相系统和光阑
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6.2照相系统和光阑
照相镜头
可变光阑 孔径光阑 感光底片 视场光阑
B1 A1
u′ A2
B2
L
A
B
图6-8 照相机系统简图
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6.2照相系统和光阑
无差别
A
A′
图6-9 孔径光阑对轴上点光束的限制
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6.2照相系统和光阑
M
(a)
成像质量? 物镜口径?
N L A
(b)
M′ N′ A′
L
图6-10 孔径光阑对轴外点光束的限制
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6.2照相系统和光阑
"渐晕系数"
Kω =
Dω D
(6-1)
D
M' Dω
{
{
ω
N'
图6-11 轴外光束的渐晕
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6.2照相系统和光阑
入瞳是入射光束的入口 出瞳是出射光束的出口
A
A ''
图6-12 光阑与光阑的像
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6.2照相系统和光阑
(1)在照相光学系统中, 根据轴外光束的像质来选 择孔径光阑的位置,其大 致位置在照相物镜的某个 空气间隔中. (2)在有渐晕的情形,轴 外点光束宽度不仅仅由孔 径光阑的口径确定,而且 还和渐晕光阑的口径有 关. (3)照相光学系统中,感光 底片的框子就是视场光 阑.
F′
总结
(a)
F
′
(b)
图6-13 照相物镜中的孔径光阑位置
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6.3 望远系统中成像光束的选择
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6.3望远系统中成像光束的选择
视觉放大率:Γ = 6 X 视场角: 2ω = 8 30'
o
出瞳直径: D′=5mm
物镜 棱镜 分划镜 目镜
出瞳距离:l z′ ≥ 11mm
′ 物镜焦距:f 物 = 108mm ′ 目镜焦距: f目 = 18mm
图6-14 双目望远镜系统
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6.3望远系统中成像光束的选择
光瞳转接原则
l z'
出瞳距 图6-15 望远镜系统简化
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6.3望远系统中成像光束的选择 (1)位于物镜左侧10mm
D = ΓD ′ = 30mm
孔径光阑选择
y ′ = f 物 tgω = 8mm ′
D′=5mm
l z
' f物
f目
l z'
图6-16 望远镜系统简化
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6.3望远系统中成像光束的选择
依据式(3-41)和式(3-42)得 hz物=0.75mm hz分=8mm hz目=9.25mm lz′=20.5mm
孔径光阑选择
(2)位于物镜上
hz物=0 hz分=8mm hz目=9.35mm lz′=21mm
(3)位于物镜右侧10mm
hz物=0.82 hz分=8mm hz目=9.51mm lz′=21.3mm
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6.3望远系统中成像光束的选择
D通=2(h+hz)
孔径光阑选择
表6-1 通光口径
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6.3望远系统中成像光束的选择
孔径光阑选择
上 (1)中
( 2) 下 (3)
(1)
( 2)
(3)
图6-17 阑位对轴外光束位置的选择
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6.3望远系统中成像光束的选择
(1)两个光学系统联用时,一般应满足光瞳转接原则;
总结
(2)目视光学系统的出瞳一般在外,且出瞳距不能短于6mm; (3)望远系统的孔径光阑大致在物镜左右,具体位置可根据尽 量减小光学零件的尺寸和体积的考虑去设定; (4)可放分划板的望远系统中,分划板框是望远系统的视场光 阑.
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6.4 显微镜系统中的光束限制与分析
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1.简单显微镜系统中的光束限制
视场光阑 孔径光阑 出瞳
u
物镜
u'
f目
目镜
图6-18 显微镜系统光路
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A'
2.远心光路
y
A1'
B1
B
y1'
y'
A1
A L
( a)
B1'
B'
A'
入瞳位于无穷远,轴外 点主光线平行于光轴 "物方远心光路"
B1
B
A1'
孔径光阑
y
y1' = y '
A1
A
(b)
图6-19 远心光路
B1'
B'
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3.场镜的应用
加长光路
1× 转像系统
超大口径!
图6-20 长光路显微镜系统
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场镜的应用
场镜
图6-21 加入场镜的系统
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场镜的应用
总结
(1)一般显微镜系统中,孔径光阑置于显微物镜上;一次实际 面处安放系统的视场光阑; (2)显微系统用于测长等目的时,为了消除测量误差,孔径光 阑安放在显微物镜的像方焦面处,称为"物方远心光路". (3)在长光路系统中,往往利用场镜达到前后系统的光瞳转 接,以减小光学零件的口径.值得指出,仅为减小后续系 统口径的场镜也有应用. (4)远心光路及场镜在望远镜系统中也有应用.
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