【工程光学】光学系统的光束限制

ref《工程光学》第五版 郁道银

1.光阑

孔径光阑

• 限制轴上物点成像光束宽度, 有选择轴外物点成像光束位置作用的光阑
• 入瞳: 孔径光阑经前面光组在物空间成像
  • 孔~在系统最前面则本身为入瞳
  • 和孔径光阑关于前面的光组共轭
• 出瞳: 孔径光阑经后面光组在像空间成像
  • 孔在系统最后面则本身为出瞳
  • 和孔径光阑关于后面的光组共轭
  • 出瞳与入瞳关于整个光学系统共轭
• 物方孔径角: 轴上物点–入瞳边缘$\angle$光轴
• 像方孔径角: 轴上像点–出瞳边缘$\angle$光轴

视场光阑

• 限定物平面/物空间成像范围的光阑
• 入窗: 视场光阑经前面的光组在物空间成像
  • 视~在系统最前面则本身为入窗
  • 与视场光阑关于前面的光组共轭
• 出窗: 视场光阑经后面的光组在像空间成像
  • 视~在系统最后面则本身为出窗
  • 与视场光阑关于后面的光组共轭
  • 出窗与入窗关于整个光学系统共轭
• 物方视场角: 入瞳中心–入窗边缘$\angle$光轴
• 像方视场角: 出瞳中心–出窗边缘$\angle$光轴

渐晕

• 充满入瞳的光束被遮拦, 轴外点实际成像光束宽度<轴上点, 像面边缘比中心暗
• 渐晕光阑: 起渐晕作用的光阑
• 渐晕系数
  • $$K_{\omega }=\frac{D_{\omega }}{D}$$

判断光阑

光学系统

照相系统

• 组成: 照相物镜, 可变光阑, 感光底片
• 相机:光圈↓,景深↑; 光圈数↑,景深↓

望远系统

开普勒望远镜

• 正透镜+正透镜=无焦系统
• 无限远物体成倒立像

伽利略望远镜

• 正透镜+负透镜=无焦系统
• 无一次实像面
• 无限远物体成正立像

显微系统

• 特点
  • 正透镜+正透镜
  • 物镜与目镜焦距小
  • 光学间隔$\Delta$大

生物显微镜的光束限制

测量显微镜的光束限制

• 孔径光阑在像方焦平面, 形成物方远心光路
  • 避免调焦不准造成的测量误差

物方远心光路

光瞳衔接

前光组的出瞳/出窗<->后光组的入瞳/入窗, 避免产生光瞳切割现象

场镜

• 光学系统中置于实像/实像面附近的透镜
• 使前后系统的光瞳衔接, 减小光学零件的口径
• 变化
  • 出瞳大小不变
  • 出瞳距变
  • 视觉放大率变
  • 渐晕系数 $\uparrow$

景深

• 远景
  • $${\Delta }_1=p_1-p=\frac{p^2\epsilon }{2a-p\epsilon }$$
• 近景
  • $${\Delta }_2=p-p_2=\frac{p^2\epsilon }{2a+p\epsilon }$$
• $\Delta ={\Delta }_1+{\Delta }_2$