光学系统中的光束限制

1、4 光学系统中的光束限制孔径光阑和视场光阑典型光学系统中的光阑景深光束限制问题的由来l能进入光学系统的光束孔径有限l光学系统的视场有限l原因：光学元件的有限大小，系统空间的有限大小l光束的限制状况影响系统性能光阑及分类l光阑：限制光场空间范围的光孔l孔径光阑（孔阑）：限制光束口径的光阑l经其前方光组所成的孔阑像：入瞳；经其后方光组成的孔阑像：出瞳。入瞳、孔阑、出瞳三者共轭l过光瞳中心的光线称主光线；过光瞳边缘的光线称边光线l视场：成清晰像的垂轴范围l视场光阑（视阑）：限制视场的光阑l经其前方光组所成的视阑像：入窗；经其后方光组成的视阑像：出窗）。入窗、视阑、出窗三者共轭孔径光阑对轴上点的作用孔

2、径光阑对轴上点的作用l限制轴上物点发出光束的孔径角大小限制轴上物点发出光束的孔径角大小l孔径光阑位置不同对光束的限制作用相同孔径光阑位置不同对光束的限制作用相同孔径光阑对轴外点的作用孔径光阑对轴外点的作用l不同位置的孔径光阑对轴外成像光束的限制不同光瞳和孔径光阑的确定l所有光学元件的通光孔，分别经其前面的光组成像到物空间，对物面中心张角最小的是入瞳l所有光学元件的通光孔，分别经其后面的光组成像到像空间，对像面中心张角最小的是出瞳l与入、出瞳对应的实际光孔是孔径光阑孔径光阑与入射光瞳孔径光阑与入射光瞳F 孔径光阑孔径光阑孔径光阑与出射光瞳孔径光阑与出射光瞳孔径光阑孔径光阑窗与视场光阑的确定l所有

3、光学元件的通光孔，分别经其前面的光组成像到物空间，对入瞳中心张角最小的是入窗l所有光学元件的通光孔，分别经其后面的光组成像到像空间，对出瞳中心张角最小的是出窗l与入、出窗对应的实际光孔是视场光阑孔阑的设置原则l系统对光能量的需求l系统对空间分辨率的要求l对目视仪器，光学系统的出瞳应与人眼瞳孔重合，使得光能利用率最高l测量仪器中，孔阑要与焦面重合，以消除测量误差目视仪器的出瞳位置l系统出瞳与眼瞳不重合造成的能量损耗照相系统中的光阑f-f物面CCD面1 透镜边框2 光圈像入瞳光圈入窗孔阑出瞳视阑出窗3 CCD面像用光瞳表示光束限制l只画出光瞳入瞳入窗出瞳出窗PP望远系统中的光阑l孔径光阑在物镜附近

4、l分划板置于物镜后焦面l分划板边框为视场光阑f1物镜、孔阑入瞳分划板视阑目镜-f2显微系统中的光阑l孔径光阑在物镜上l分划板置于物镜像面l分划板边框为视场光阑l1物镜、孔阑入瞳分划板视阑目镜-l2显微测量原理l物AB成像为AB，若测出AB高度y ，根据共轭面放大率，就能求出物的大小y物面位置不准引起的测量误差l物面不准像面移动像面与刻尺面分离lAB A1B1， A1B1A1B1lA1、B1两点在理想像面（刻尺面）上造成弥散斑l两弥散斑中心间隔为y1 y孔阑安置在后焦面上消除误差l即使实际像面与理想像面不重合， y1= y物方远心光路l孔阑位于系统后焦面l入瞳在物方无限远物方远心光路l特点：l入

5、射光束的主光线都平行于光轴l物体位置变化不影响测量结果测距原理l已知高度为y的物体AB成像于AB，测出像高y，由=y/y=l/l，得距离x=fy/yxf调焦不准引起的测量误差l调焦不准 AB与刻尺面AB不重合lA、B在刻尺面上产生两个弥散斑l弥散斑中心距离yy孔阑置于系统前焦面消除误差l即使调焦不准，仍有y=y像方远心光路l孔阑位于系统前焦面l出瞳在像方无限远像方远心光路l特点：l出射光束的主光线都平行于光轴l即使像面位置不与刻尺面重合也不影响测量结果两个光组的串联l要求1l两光组的焦距不变l降低后光组的光线入射高度l加入场镜l其位置与前光组所成的像重合场镜的设计l要求2l主光线连续通过前后两

6、个光组l场镜焦距的选择l把前组的出瞳成像到后组的入瞳视场大小的度量l物体在远处，物方视场角2，像方视场角2l物体有限远，物方线度2y，像方线度2y视场与视窗、光瞳的关系l由视窗决定成像范围仅适用于光瞳很小的情况l入瞳无限小时，入窗边缘对入瞳中心所确定的区域AB为视场l入瞳有限大小时，B以外的物点，主光线不能通过入窗，边光线可能通过l既能过入窗，又能过入瞳，才能参与成像l光学系统的视场不仅与视窗有关，还与光瞳大小有关入窗和入瞳对光束的限制三个通光不同的区域lAB1为半径的圆，每个物点发出的充满入瞳的光束都能通过入窗(截面图a)lB1B2环带，充满入瞳的光束大部分通过入窗，10050% (截面图b

7、)lB2B3环带，充满入瞳的光束小部分通过入窗，500% (截面图c)渐晕l这种因轴外物点发出的光束被阻挡，像面上光能量从中心到周边逐渐减少的现象称渐晕l渐晕系数：渐晕程度l线渐晕系数：轴外点有效光束与轴上光束在光瞳面上的线度之比l面渐晕系数：轴外点有效光束与轴上光束在光瞳面上的面积之比视场光阑的设置准则l若无渐晕，需B1B3=D(p-q)/p=0lp=ql为消除渐晕，视阑应如此设置：入窗与物面重合，或出窗与像面重合三维景物的成像l前面分析的是垂直于光轴平面上物体在共轭面上的成像l实际景物常为三维，多个平面参与成像l只有一个平面物体能清晰成像，其他物面在像面为弥散斑l弥散斑足够小时，可视为清晰成像l景深：纵向多大的物空间范围可成清晰像非对准面上物点在像面上的弥散斑l入瞳与H重合，出瞳与H重合lA(对准面)和A(理想像面)为一对共轭面lB1在A和A面的弥散斑直径Z1、Z1， B2在A和A面的弥散斑直径Z2、Z2景深l能成清晰像的最远物面称远景面，其到对准面的距离为远景深度1l能成清晰像的最近物面称近景面，其到对准面的距离