L13C51光阑种类孔径光阑课件.ppt

1、maxUsinnNA 1应用光学Applied Optics光信息0801-022010-2011第一学期2第五章第五章 成像光束选择成像光束选择34 组成光学系统的所有零件都有一定的组成光学系统的所有零件都有一定的尺寸大小尺寸大小 实际的光学系统除了应满足前述的实际的光学系统除了应满足前述的物象物象共轭位置关系和成像放大率共轭位置关系和成像放大率的要求外，的要求外，还要有一定的还要有一定的成像范围成像范围 前面的研究没有对光学零件的大小加以前面的研究没有对光学零件的大小加以限制限制5 由一点发出能进入透镜或光学系统的光束，其立体角大小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

2、镜的直径决定于透镜的直径 5-1 光阑及其作用光阑及其作用 装夹透镜和其他零件的金属框的内孔边缘就是限制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光束的光孔，这个光孔对光学零件来说被称为“通通光孔径光孔径”6 光阑的定义：夹持光学零件的金属框（透镜框、夹持光学零件的金属框（透镜框、棱镜框）或者人为设置的装置限制棱镜框）或者人为设置的装置限制了成像光束的大小，了成像光束的大小，光学中这种限光学中这种限制成像光束的光孔称为制成像光束的光孔称为。有些光孔的大小是可变化的，这种有些光孔的大小是可变化的，这种光阑称为光阑称为“”7光阑在光学系统中的作用：决定像面

3、的照度。决定像面的照度。决定系统的视场。决定系统的视场。限制光束中偏离理想位置的一些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光线，用以改善系统的成像质量 拦截系统中有害的杂散光。拦截系统中有害的杂散光。光阑是实际光学系统成满意（完善）光阑是实际光学系统成满意（完善）像必不可少的零件。像必不可少的零件。8光阑按上述的作用分为：光阑按上述的作用分为：孔径光阑孔径光阑视场光阑视场光阑渐晕光阑渐晕光阑消杂光光阑消杂光光阑它是它是限制轴上物点限制轴上物点成像光束成像光束立体角（锥角）的光阑。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（即像也就是起到决定能通过光学系统的光能（

4、即像平面照度）作用的光阑。平面照度）作用的光阑。9 视场光阑视场光阑 限制物平面或物空间能被光学系统成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像的最大范围的光阑称为视场光阑称为视场光阑。视场：视场：物平面或物空间能被光学系统成像的物平面或物空间能被光学系统成像的最大范围最大范围称为视场称为视场。10 渐晕光阑渐晕光阑 光阑以减少轴外像差为目的，使物空光阑以减少轴外像差为目的，使物空间轴外点发出的、原本能通过上述两间轴外点发出的、原本能通过上述两种光阑的成像光束只能部分通过，这种光阑的成像光束只能部分通过，这种光阑称为渐晕光阑。种光阑称为渐晕光阑。渐晕渐晕 由于轴外点成像光束部分被遮挡

5、，造由于轴外点成像光束部分被遮挡，造成像的边缘部分亮度比像平面中心暗，成像的边缘部分亮度比像平面中心暗，这种现象叫渐晕。这种现象叫渐晕。11 消杂光光阑消杂光光阑 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，这些光阑称为壁反射的光等，这些光阑称为消杂光光阑消杂光光阑。物镜物镜消杂光光阑消杂光光阑分划板125-2 孔径光阑、入瞳、出瞳孔径光阑、入瞳、出瞳一、孔径光阑的确定一、孔径光阑的确定当实际光组中有多个光阑时，确定方

6、法为：当实际光组中有多个光阑时，确定方法为：各个光学孔径：各个光学孔径成像到物空间成像到物空间；：由轴向物点向光阑像边缘引光线，找出光线与光：由轴向物点向光阑像边缘引光线，找出光线与光轴的夹角；轴的夹角；：夹角最小者夹角最小者所对应的光阑即为孔径光阑。所对应的光阑即为孔径光阑。确定方法可以通过图解法，也可以通过解析法。确定方法可以通过图解法，也可以通过解析法。13v例例 已知一光学系统由三个零件组成，透镜已知一光学系统由三个零件组成，透镜1其焦距其焦距 f1=-f1=100mm，口径，口径D1=40mm；透镜；透镜2的焦距的焦距f2=-f2=120mm，口径，口径D2=30mm，它和透镜，它和

7、透镜1之间的距离为之间的距离为d1=20mm；光阑；光阑3口径为口径为20mm，它和透镜，它和透镜2之间的距离之间的距离d2=30mm。物点。物点A的位置的位置L1=-200mm，试确定该光组中，试确定该光组中，哪一个光孔是孔径光阑。哪一个光孔是孔径光阑。A3D2D1D1L2d1dF1,F2141、图解法、图解法为了使各光阑和物点为了使各光阑和物点A产生直接联系，把它们产生直接联系，把它们全部成像到物空间去。全部成像到物空间去。3D2D3D2D1D15由物点向各个像边缘引光线，得到夹角最小者所由物点向各个像边缘引光线，得到夹角最小者所对应的光阑即为孔径光阑对应的光阑即为孔径光阑。D1D2D31

8、6 解：解：1.1.由于透镜由于透镜1 1的前面没有任何光组，所以的前面没有任何光组，所以它本身就是在物空间的像。它本身就是在物空间的像。透镜透镜2 在透镜在透镜1的右边，要使它成像光线须自右向左，的右边，要使它成像光线须自右向左，属于反向光路。而牛顿公式和高斯公式皆由正光路属于反向光路。而牛顿公式和高斯公式皆由正光路导出，符号规则也由正光路规定，不可随便用于反导出，符号规则也由正光路规定，不可随便用于反光路。光路。2、解析法：、解析法：方法：认为透镜方法：认为透镜2是像，求物。是像，求物。17100112011112122lfllmml2522、因为、因为 f1=-f1=100mm，l 2=

9、20mm，利用高，利用高斯公式：斯公式：3D2D1D2d1dF1,F2188.025202222llyymmy75.188.0152 3.3.再求光阑再求光阑3 3被前面光组所成的像被前面光组所成的像。必须注意：必须注意：为了求得光阑为了求得光阑3 3在物空间的像，要使它在物空间的像，要使它分别对透镜分别对透镜1 1、2 2成像。成像。19同理，求得光阑同理，求得光阑3在物空间的像在物空间的像mmy33.333mml1503mm25mm150D1D2D3mm20020 物点物点A对光阑对光阑D1 的张角的张角0833022575182.tgu0952035033333.tgu 对对D2 的张角

10、的张角 对光阑对光阑D3 的张角的张角 u2 为最小，说明光阑像为最小，说明光阑像D2 限制了物点的限制了物点的物物方孔径角方孔径角，故，故透镜透镜2的镜框为孔径光阑。的镜框为孔径光阑。21 将孔径光阑将孔径光阑Q1Q Q2通过其前面的透镜成通过其前面的透镜成像到物空间去，则其像像到物空间去，则其像P1PP2 就决定了光就决定了光学系统的物方孔径角学系统的物方孔径角U。-y-UPP1P2UyQQ2Q孔径光阑孔径光阑L1L2U 物方孔径角物方孔径角22 孔径光阑孔径光阑被其前面的光组被其前面的光组在光学系在光学系统统物空间物空间所成的像称为所成的像称为入射光瞳入射光瞳，简称简称入瞳。入瞳。-y-

11、UUyQQ2Q孔径光阑孔径光阑L1L2U 物方孔径角物方孔径角PP1P2入射光瞳入射光瞳入瞳入瞳23孔径光阑孔径光阑Q1QQ2被被其后面的其后面的透镜透镜（光组）在（光组）在像空像空间间所成的像所成的像P1PP2 称为称为出射光瞳出射光瞳，简称简称出瞳出瞳，其决，其决定了系统像方孔定了系统像方孔径角径角U P1P2出射光瞳出射光瞳孔径光阑孔径光阑-y-UPUyQQ2QL1L2U 像方孔径角像方孔径角出瞳出瞳24 入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是出射光瞳出射光瞳 入瞳入瞳与与出瞳出瞳对整个光学系统是对整个光学系统是共轭共轭的的。如果孔径光阑在整个光学系统的

12、像空如果孔径光阑在整个光学系统的像空间，那么它本身也就是间，那么它本身也就是出射光瞳出射光瞳；反之，若在物空间，它就是反之，若在物空间，它就是入射光瞳入射光瞳25 将光学系统中所有光学零件的通光孔分别通过将光学系统中所有光学零件的通光孔分别通过其前面的光学零件成像到整个系统的其前面的光学零件成像到整个系统的物空间物空间去，去，系统的入射光瞳必然是其中对物面中心的系统的入射光瞳必然是其中对物面中心的张角张角为最小为最小的一个。的一个。对于一定位置的物体而言，对于一定位置的物体而言，决定了决定了能进入系统成像的最大光束孔径，且能进入系统成像的最大光束孔径，且物物面上各点发出的面上各点发出的；26Q

13、QQ2A-UP1PP2入射光瞳入射光瞳孔径光阑孔径光阑L1L2 2L227 将光学系统中所有光学零件的通光将光学系统中所有光学零件的通光孔分别通过其后面的光学零件成像孔分别通过其后面的光学零件成像到整个系统的到整个系统的像空间像空间去，系统的出去，系统的出射光瞳必然是其中对像面中心的射光瞳必然是其中对像面中心的张张角为最小角为最小的一个。的一个。28PL1AU孔径光阑孔径光阑QQ2QL2P P 出射光瞳出射光瞳L1出瞳是物面上各点的成像光束经出瞳是物面上各点的成像光束经系统后射出系统的公共出口。系统后射出系统的公共出口。29 通过入射光瞳通过入射光瞳中心中心的光线称为的光线称为主光线主光线 由

14、于共轭关系，主光线也必然通过孔径光由于共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑中心和出瞳中心。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显然，主光线是各个物点发出的成像光束的光束轴线。光束轴线。光束的孔径角是表征实际光学系统功能的重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，用要性能参数之一，用 U Umax max 表示。表示。它不但决定了像面的照度，而且还决定了光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学系统分辨能力 30对于不同类型的光学系统，有不同的表示方法来表征这种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孔径角相应的性能参数

15、 显微系统和投影系统的物镜常用显微系统和投影系统的物镜常用nsinsinU Umaxmax表示，表示，被称之为被称之为数值孔径数值孔径，用，用NANA表示，即表示，即fDA n n 物方空间的介质折射率。物方空间的介质折射率。物方孔径角物方孔径角U Umaxmax越大，其越大，其数值孔径数值孔径也越大也越大 进入系统的光能越多，理论分辨本领越高进入系统的光能越多，理论分辨本领越高31 望远系统和摄影系统常用望远系统和摄影系统常用相对孔径相对孔径A来表示来表示 AD fF1A D 入瞳直径入瞳直径 f物镜焦距物镜焦距 相对孔径相对孔径A越大，表明能进入系统的光能也越多越大，表明能进入系统的光能也

16、越多 而照相机，则常用另一个术语而照相机，则常用另一个术语光阑指数光阑指数，用，用F来来表示，它是相对孔径的倒数，即表示，它是相对孔径的倒数，即 F俗称俗称光圈光圈，相对孔径越大时，光圈数值愈小，相对孔径越大时，光圈数值愈小。32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，光束会被其他光孔阑将会失去限制光束的作用，光束会被其他光孔所限制。所限制。在上例中，若物距在上例中，若物距l1=-100mm=-100mm，此时光学系统的孔径光阑，此时光学系统的孔径光阑为哪一个？为哪一个？33注：在目视仪器中，出瞳的像一定要成在系统外面，注：在目视仪器中，出瞳的像一定要成在系统外面，以使眼睛的瞳孔与之重合。以使眼睛的瞳孔与之重合。合理选择孔径光阑的位置可以改善轴外点成像质量。合理选择孔径光阑的位置可以改善轴外点成像质量。对于对于无限远的物体无限远的物体，光学系统的所有光孔被其前，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。一个光孔像就是系统的入瞳。