北京理工大学考研光学系统中成像光束和光阑知识点.docx

一、1. 光阑光学系统中，限制成像光束口径和成像范围的孔或框称为光阑1) 孔径光阑：限制进入光学系统成像光束口径大小的光阑；2) 视场光阑：限制光学系统成像范围的光阑；2. 渐晕和渐晕系数1) 渐晕：由于轴外斜光束宽度小于轴上点光束宽度，引起的相平面轴外部分比相平面中心暗的现象；（这里的轴外和轴上点是指的无穷远点）2) 线渐晕系数：轴上点成像光束宽度，视场角为的斜光束在子午截面内的光线宽度为，那么和之比就是线渐晕系数，用表示；3) 面渐晕系数：轴外光束截面面积和轴上光束截面面积之比，用表示。3. 入瞳和出瞳、出瞳距离和眼点距离在没有渐晕的情况下，孔径光阑在系统物空间的像称为入瞳，在像空间的像称为出瞳，分别限制入射光束孔径和出射光束孔径的大小。入瞳和出瞳对于光学系统成物像共轭关系。在没有渐晕情况下，轴外光束中心光线（主光线）必然通过孔径光阑中心。即物方入射光线中心光线通过入瞳中心，像方出射光线通过出瞳中心。出瞳位置距离系统最后一面顶点的距离称为出瞳距离。用表示，决定出射光束的位置。系统存在渐晕时，边缘市场成像光束中心光线不再通过入瞳中心，孔径光阑中心和出瞳中心，这是把边缘视场出射光束中心光线和光轴的交点称为眼点，眼点到系统最后一面的距离称为眼点距离，用表示。二、 选择望远系统成像光束位置的基本原则1. 首先根据系统光学特性（）的要求，对轴上点边缘光线进行光路计算，确定轴上点边缘光线在系统中每个光学元件或光阑上的口径，这些轴向光束口径是为保证光学系统光学特性，系统中各光学元件所必须的最小口径。2. 所说的确定光束成像位置，是指选择轴外点的成像光束的位置，成像光束的位置不同，直接影响各光学零件的实际口径。在保证光学系统光学特性的条件下，能使系统中各光学零件的口径比较均匀的成像光束的位置，是最佳的成像光束的位置。一般情况下，使轴外光线中心光线，通过轴向光束口径最大的光学零件或光阑的中心。或者说，一般情况下，轴向光束口径最大的孔或者框作为孔径光阑。所以望远系统中，通常把孔径光阑选在物镜框上。轴外点成像光束位置确定后，边缘视场的上下边缘光线，以确定各光学零件实际通光口径，通过计算成像光束中心光线，可以找到相应入瞳和出瞳以及眼点位置。在实际望远系统中，成像光束限制的情况则比较复杂，主要情况包括：a) 有的有渐晕，有的没渐晕；b) 有的在视场中心有限部分无渐晕，在此以外边缘视场就有渐晕；c) 有的虽有渐晕，中心光线和和光轴交点的位置却不变；d) 有的则随着渐晕改变，中心光线和光轴交点位置也在改变；这一部分，可以结合相关题目，渐晕在设计光学器件的时候是很重要的一个概念!3. 光学系统没有渐晕时，孔径光阑既确定轴向光束口径，也确定轴外光束口径。孔径光阑在系统物像空间的共轭像是入瞳和出瞳。轴外光束中心光线在物空间、像空间分别通过入瞳中心和出瞳中心，也就必须通过孔径光阑中心。4. 如果中心视场没有渐晕，边缘视场有渐晕，一般按没有渐晕的那部分视场来确定孔径光阑，入瞳和出瞳的位置，如果边缘视场位置和中心光线与光轴交点位置离出瞳较远，需要计算出它的位置，即眼点距离，与一起共同作为光学系统光学特性的指标。三、 显微镜中光束限制和远心光路1. 一般观察显微镜中，显微镜物镜上的轴向光束口径最大，通常把孔径光阑选在物镜框上。位于目镜物方焦平面上的圆孔光阑或者分划镜框，限制了系统的成像范围，是显微镜的视场光阑，一般显微镜的视场光阑直径约为20mm，显微镜的线视场为其中，为显微镜物镜的垂轴放大率。2. 显微镜的数值孔径，为物方折射率，为轴上边缘光线和光轴夹角，也叫物方孔径角。显微镜的数值孔径和显微镜的视放大率，出瞳直径之间的关系为显微镜出瞳直径通常选为1mm，代入上式得测量显微镜中，为了消除由于像平面位置的放置引起的测量误差，在物镜的像方焦平面上加入了一个光阑作为孔径光阑，这样，入瞳则位于无穷远处，也就称为物方远心光路。（远心光路有哪些特点呢？）某些大地测量仪器或者投影仪器中，需要消除由于像平面和标尺分划刻线面不重合而引起的测量误差，在物镜的物方焦平面添加光阑作为孔径光阑，物镜出瞳位于像方无穷远，称为像方远心光路。四、场镜的特性和应用1. 场镜的定义：和像平面重合，或者很靠近相平面的透镜称为场镜。2. 场镜的性质：只改变成像光束位置，不影响光学系统的光学特性。（包括等）要求证明3. 场镜的应用：在一些望远系统中，成像光束在光路中的位置已经确定，可能不能同时满足对入瞳、出瞳位置的要求，就可以在中间实像平面加场镜，想要使出瞳距离减小，加正场镜；想要使出瞳距离加大，加负场镜4. 在某些连续成像的组合系统中，为了使前面透镜组的出射光束都能进入后透镜组，就可能需要后透镜组的口径非常大，这时可以在像平面加场镜，使前面组的出射光束主光线，经场镜后通过后透镜组中心，大大减小后透镜组的口径。同样，在一些红外系统中，为了减小红外探测器的尺寸，也常在系统中加入场镜。五、空间物体成像的清晰程度-景深1. 景深定义:能在像面上获得清晰像的物空间的深度，称为系统的景深；图5-112. 景深计算公式：其中为基准物平面到系统物方主平面的距离；为主平面上口径；为物镜焦距；为允许光斑直径；能看清的最远和最近物距分别为，和距离只差就是景深。3. 景深的性质a) 容许光斑直径越大，景深越大；b) 照相物镜相对孔径、焦距与景深的关系如下:照相物镜，那么所以，照相物镜相对孔