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1、4 光学系统中的光束限制,引言：理想光学系统:无限大成像光束、任意大成像空间,实际光学系统：光学零件的尺寸大小和其他金属框的存在,参与成像的光束宽度和成像范围有限,4 光学系统中的光束限制,任何成像光学系统，均需要满足一系列根据使用要求提出的条件。,首先，使物体在给定共轭距上成要求倍率的像，由此决定了光学系统的轴向尺寸，这就是我们前面讨论的物像位置关系。,4 光学系统中的光束限制,其次，系统还要具有要求的成像范围，所成的像还应具有一定的光度水准，并能反映物体的微细结构,这实质上是一个如何确定光学零件的横向尺寸或通光孔径，从而给通过光学系统的光束以合理限制的问题。,也就是说，光学系统应对于要求成
2、像范围内的物点，以要求孔径角的光束成像。,前者规定了成像的线视场或视场角，后者与成像光束的孔径角有关，,4 光学系统中的光束限制,因此，在每个光学仪器内都有一些限制光束通过仪器的障碍物，在仪器内除了个别的透镜框以外，有时候还必须安装一些带孔的平板形状的不透光的特殊障碍物，这些孔的中心在系统光轴上，它们同样有限制光束的作用。,所有这些对通过光学系统的光束起限制作用的光孔统称为光阑。,4.1、光阑概述,一、光阑的概念二、孔径光阑三、视场光阑四、渐晕现象与渐晕光阑五、结论,一、光阑的概念,1、光阑：光学系统中用以限制光束的光孔（透镜的镜座、照相机的光圈、专门设置的其他光孔）统称为光阑,透镜的大小限制
3、A点发出的成像光束的孔径角，像面的大小限制成像范围。,实际光学系统：参与成像的光束宽度和成像范围有限。,2、光阑的分类,光阑对光束的限制作用主要体现在改善成像质量、决定光能、拦截杂散光等方面，可以分为四种：,注意：孔径光阑和视场光阑是光学系统必不可少的两种最重要的光阑，前者用于限制通过光学系统的成像光束，后者用于限制成像范围。任何系统中都必须有孔阑和视阑两种光阑，并且两者不可能是同一光孔。,孔径光阑：限制轴上点成像光束中边缘光线的最大倾角（孔径角）,视场光阑：限制物平面或物空间能被系统成像的最大范围（视场）,渐晕光阑：限制物空间轴外点发出的、本来能通过上述两种光孔的成像光束,消杂光光阑：限制杂
4、散光（从视场外射入系统，或由镜头内部的光学表面、金属表面及镜座内壁的反射和散射所产生）,实际光学系统：参与成像的光束宽度和成像范围有限。,3、消杂光光阑,杂散光：也称为杂光或杂散辐射，是指光学系统中除了成像光线外，扩散于探测器表面上的其它非成像光线辐射能，以及通过非正常光路到达探测器的成像光线辐射能。杂散光是进入光学系统，并在像平面上影响成像质量的有害光束。杂光使像面产生明亮的背景、降低像的对比度，故加以限制设置消杂光光阑,重要仪器：需要专门设置（天文望远镜、长焦距平行光管）一般仪器：工艺处理将镜筒加工成螺纹并发黑（涂黑色无光漆或煮黑）,消杂光光阑设置情况：,从光学系统本身来看，杂散光产生的原
5、因有三种：,一是非成像光束射向仪器内壁的表面，并由内壁表面反射后通过系统的出射光瞳射向像平面的光束；二是成像光束或非成像成像光束通过光学零件折射时，伴随着部分光线的反射，这些反射光束经仪器内壁或在光学零件的两个折射面之间多次反射和折射而产生杂散光；三是由于光学零件表面的划痕、麻点、抛光不良、光学材料内部条纹和杂质以及光学零件毛糙的非工作面的散射等原因引起的杂散光。,杂散辐射按照来源可以分为三类：,第一类是光学系统外部的辐射源，如太阳光、地球表面的散射、漫射光及大气漫射光等进入系统，经系统内部构件的多次反射、折射或衍射到达探测器，成为外部杂散辐射或外杂光；第二类是光学系统内部辐射源，如控制电机、
6、温控热源及温度较高的光学元件等产生的红外辐射，经过系统表面的反射、折射或衍射进入探测器，称为内部杂散辐射或内杂光；第三类是成像光束经非光路表面散射、或经光路表面的非正常传播而进入探测器的辐射能量，称为成像杂散光。,二、孔径光阑,1、孔径光阑的定义 定义：用来限制成像光束口径立体角的光阑称为孔径光阑，简称孔阑有效光阑（光能、像质、分辨率）,2、孔径光阑的作用：1）决定通过光学系统的光能量-像面照度。照相时调节光圈，就是调节孔径光阑的大小，从而起到改变曝光量的目的。2）决定光学系统的分辨率（光学像反映物体微细结构的程度）。由衍射理论可知，系统分辨率与光束的孔径成正比。,2、孔径光阑的作用,3)孔径
7、光阑对轴上点和轴外点成像光束均有限制作用。,如果改变孔径光阑的位置，需要同时改变其大小才能起到相同的限制作用。,对轴上点成像光束的限制作用光束对称,对轴外点成像光束的限制作用光束选择,孔径光阑的位置不同，参与成像的轴外光束不一样，轴外光束通过透镜的部位也不一样，需要通过全部成像光束的透镜口径大小也就不一样。,光阑位置的改变可以影响轴外点的成像质量。从这一点来看，孔径光阑的位置是由对轴外光束的要求决定的。,严格的讲，限制轴上物点孔径角大小（或成像光束宽度），并有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑叫孔径光阑,3、孔径光阑的像-入瞳、出瞳,1）入射光瞳：入射光束的入口孔阑经过前面系统所成的象当孔阑位
8、于最前面，入瞳就是孔阑本身；2）出射光瞳：出射光束的出口孔阑经过后面系统所成的象当孔阑位于最后面，出瞳就是孔阑本身；,-y,-,U,P,P1,P2,P,P1,P2,U,y,Q,Q,2,Q,出射光瞳,入射光瞳,孔径光阑,L,1,L,2,U 物方孔径角,U 像方孔径角,主光线：通过入瞳中心的光线。物面上轴外各点成像光束的轴线。通过入瞳、孔阑、出瞳,1）将光学系统中所有光学零件的光孔，分别对其前面的光组成像，对某一确定的轴上物点张角最小的那个像所对应的光孔就是孔径光阑，这个像就是入瞳最小入口。如果一个光学系统对无穷远物体成像，则要看系统中所有光孔被其前面光组所成像中何者直径最小。,4、孔径光阑的确定
9、方法与设置原则,2）孔径光阑的位置确定是针对某特定的轴上物点而言：当物体位置发生变化，孔阑的位置应发生相应变化，否则被其他光孔所替代。所以，照相系统中的孔阑为可变光孔。相对于特定的参考点,3）一个系统中有且只有一个孔阑，其位置由轴外光束的限制要求确定,不同光学系统中孔径光阑的位置安放原则,目视光学仪器：出瞳在目镜外一定位置投影计量光学系统：远心光路仪器对孔径光阑位置无要求时：轴外像差满足以上后再考虑光学元件口径的匹配,一般而言，孔径光阑的位置是根据是否有利于缩小系统外形尺寸、镜头结构设计、使用方便，是否有利于改善轴外点成像质量等因素来考虑的，它的大小则由轴上点所要求的孔径角来决定。,三、视场光
10、阑,1、视场光阑的定义及其作用 对于实际光学系统，能够清晰成像的物面大小范围是有限的。通常根据仪器性能要求主动地限定成像范围，在物面或像平面（或其共轭面）上安置光阑，以此来获得清晰的视场(满意的成像质量和足够的光照度，以便能为接收器所接收)。,这种限制物平面或物空间能被系统成像的最大范围的光阑称为视场光阑，简称视阑，它决定了光学系统的视场。光学系统只能有一个视场光阑，并且是不同于孔径光阑的光孔。,摄影系统：像面的大小决定视场角2W的大小,望远镜：中间实像面上分划板的大小决定视场角2W的大小,一般情况下，视场光阑必须和系统的实像平面重合，或者和实像平面接近，才能使系统具有清晰的视场边界。例如，照
11、相机的底片框、开普勒望远镜中的分划镜框、在显微物镜成像平面上装置专门的视场光阑等。,1、视场光阑的定义及其作用,当物体位于有限距离时，可使视场光阑和物平面重合限定物方视场，也可以把视场光阑置于像平面限定像方视场。当物体在无限远时，只能在物镜的像平面（即后焦平面）上设置视场光阑。,在特殊情况下，系统中没有实像平面，也没有中间实像面，无法按上述要求设置视场光阑，视场也没有清晰的边界。例如伽利略望远镜，没有实像平面，随着视场角的加大，渐晕的增加，光束口径逐渐减小，最后消失，视场边缘存在一个由亮到暗的过渡区域，但没有清晰的边界。,2、入窗与出窗,入窗：视阑经其前面的透镜或透镜组所成的像。出窗：视阑经其
12、后面的透镜或透镜组所成的像。,共轭关系：入窗出窗：整个系统入窗视阑：前面系统出窗视阑：后面系统,3、视场,视场：能够清晰成像的物空间的范围,物面范围：物方视场像面范围：像方视场,物方视场角物方视场边缘点，即入窗或物体边缘对入瞳中心的张角像方视场角像方视场边缘点，即出窗或像的边缘对出瞳中心的张角,线视场有限距离的物体成像。观察到物体的直径.如果视场光阑为长方形或正方形，线视场按对角线计算,视场角物体在无限远时,y=y,2y像方线视场放大倍率2y物方线视场,渐晕现象：部分轴外点成像光束被拦截，使轴外物点成像光束较轴上点成像光束宽度小，像面边缘部分比像面中心暗，产生“渐晕”现象，没有清晰的视场边界。
13、,渐晕光阑：减小系统中光学零件的口径而设置透镜边框，拦截成像质量不好的光束（能量弱、远轴光线球差大），不使其到达像面,四、渐晕现象与渐晕光阑,渐晕系数,轴外物点发出并充满入瞳的光束不一定能全部通过系统，还可能受到远离孔阑的光孔的阻拦，这就是拦光。请观察，当视场逐渐增大时，轴外点发出充满孔阑的光束被前后两个透镜所拦，其中上光线被第2个透镜拦，下光线被第1个透镜拦。轴外点的实际成像光束孔径要比轴上点小。,消除渐晕的条件,1）使入窗与物平面重合：即在最后像平面上或中间实象平面上设置视场光阑以获得清晰的视场边界必要条件2）系统中不设置渐晕光阑：如一些单组光学系统（低倍显微物镜、望远镜）除必须的孔阑（物
14、镜框）、视场光阑（分化板）外，无其他光阑。,小结：光学系统中光阑性质的判断,1、先将光学系统中所有的光孔或框对前面系统成像2、由轴上物点向各像的边缘张角，张角最小的像为入瞳，对应的光孔为孔径光阑3、由入瞳中心向其余像的边缘张角，张角最小的像为入窗，对应的光孔为视场光阑4、由物的边缘向入瞳边缘张角，与起拦光作用的光孔像对应的实际孔即为渐晕光阑,五、结论,1、任何系统中都必须有孔阑和视阑两种光阑，并且两者不可能是同一光孔。而渐晕光阑非必须，有些测量系统就不能有。2、入瞳、入窗是参与成像光束的公共入口，出瞳、出窗是公共出口。成像光束过不了孔阑和视，一定过不了阑入瞳、入窗（共轭关系）。3、入瞳既限制轴
15、上点成像光束，也限制轴外点成像光束。孔阑限制物上点（轴外、轴上）的成像光束大小，其他光阑不能限制轴上点孔径角U，通光口径，通光量，相对孔径4、孔阑随物体位置改变而，其作用可能被其他光孔所替代。即孔阑的设置与物体位置有关。,4.2、典型光学系统中的光束限制,光圈：可变光阑，开口大小可变的圆孔，调节成像光束宽度从而调节光能量和象质。（适应不同的照相条件）可变光阑不在镜头上，由专门的金属框充当。,镜头将景物成像在感光底片上。,一、照相系统光束限制,相关结论：P62,镜头,可变光阑,感光底片,超出底片框的范围，光线被遮拦，底片不能感光。此时，底片框就是视场光阑。,二、放大镜光束限制,放大镜框是视场光阑
16、，又是出窗、入窗，同时放大镜框本身又是渐晕光阑。,放大镜与眼睛组合构成目视光学系统。眼瞳作为这个系统的一个光孔来考虑，它是孔径光阑，又是出瞳。,三、显微镜光束限制P67,对于低倍显微物镜，物镜框就是孔径光阑，也是入瞳。复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作孔径光阑。对于复杂的高倍显微物镜，如精密测量显微镜，在物镜后焦面或其附近装有专门的孔径光阑。当孔径光阑位于物镜后焦面，此时入瞳在物方无限远处，即形成物方远心光路。测量显微镜一般采用物方远心光路。,显微镜的光束限制与其结构复杂程度及其用途有关。,三、显微镜光束限制,一般在物镜的成像平面上装置专门的视场光阑。对于测量用显微镜，通常在中间实像平面设置分
17、划板。一般没有渐晕存在，像面上有清晰的视场边界。,四、望远镜光束限制P65,最简单的开普勒望远镜是由正物镜和正目镜组合而成的目视光学仪器，如图所示。物镜框就是孔径光阑，出射光瞳在目镜之外，能与眼睛的瞳孔重合。在物镜和目镜之间，即物镜的后焦面处放置分划板或专门的光孔，作为视场光阑。,开普勒望远镜的光路图：,物镜（入瞳）,目镜,视场光阑,出瞳,被目镜拦掉部分,目镜的口径如果足够大，开普勒望远镜中的光束将没有渐晕现象。,一般没有渐晕，但当视场角较大，目镜的横向尺寸不够大时，则目镜框可能拦光，成为渐晕光阑。一般允许存在50%以下的渐晕。,五、场镜,1、减小转像系统的通光口径，降低主光线在后面系统上的投射高度；衔接光瞳；减小渐晕2、光焦度贡献为0，一般采用单透镜,配合转像系统使用，和像平面重合，或者和像平面很靠近的透镜,
