当前课程知识点:光学工程基础 > 上篇:应用光学——光学系统中的光束限制 > 2.5.2 视场光阑与渐晕 > 2.5.2 视场光阑与渐晕
大家好
今天我们来讨论视场光阑
我们前面讲过了孔径光阑
孔径光阑决定了光束的孔径角
光束的孔径角
是表征实际光学系统的
重要性能参数之一
它不仅决定了像面的照度
而且还决定了
光学系统的分辨能力
对于不同的光学系统
会有不同的方法来表示
会在后续的课程里面
来进行详明说明
我们在讲近轴光学的时候
就讲了成像系统
它是有一些不变量的
比如说拉赫不变量nuy
孔径光阑
是限定了孔径角
那么我们用什么来限制y呢?
也就是说视场光阑限定成像范围
如果说眼睛位于O点
通过矩形窗孔abcd
来观察物平面
所能看到的物面范围
就是ABCD
这个时候,abcd
就是我们的视场光阑
在照相机中
底片框就限制了成像范围的大小
在显微镜中
分划板就决定了成像物体的大小
这个时候
视场光阑都是放在像面上的
下面我们来介绍入窗和出窗
入窗和出窗和我们前面的
入瞳和出瞳的定义是类似的
入窗是视场光阑被其前方的
光学系统所成的像
它也是在物空间中的
出窗是视场光阑经它后方的
光学系统所成的像
它是在整个系统的像空间里
在有些系统
如果说在像面上
无法放置视场光阑
在物面上放置视场光阑
也不现实
这个时候
成像范围的分析就会复杂一些
我们等会儿会去讲
下面我们来讨论
如何确定系统里面的视场光阑
或者说它的入窗和出窗
我们首先要确定
对系统来说
或者某个轴上物点
入瞳和出瞳在哪
我们在上一堂课
已经得到解决
也就是说
将光学系统中的所有光阑
包括透镜边框
经其前方的系统所成的像
这些像是在物空间中的
我们就可以针对轴上物点
来确定系统的入瞳
也就是说这些像
对轴上物点的张角最小的就是入瞳
好了,知道入瞳以后
我们从入瞳中心向物空间
所有的光阑的像的边缘做连线
这里面张角最小的
我们称之为入窗
与入窗对应的就是视场光阑
这原因何在呢?
由于对于光学系统的成像范围来说
它的成像范围
是对轴外点主光线发生限制的光孔
所决定的
入射窗、视场光阑和出射窗
它会对空间中的
同一条主光线起限制作用
主光线和光轴的夹角
就可以表示为
整个光学系统的视场角
当物体在无限远处
我们可以用视场角来表示
光学系统的视场
以2ω来表示
当物体在有限距离时
我们是用物高来表示视场
称之为线视场,用2y来表示
下面我们来讨论渐晕
在大多数情况下
轴外点发出
并充满入瞳的光束
会被某些透镜框
或者某些光阑所挡掉
使轴外物点的成像光束
小于轴上点的成像光束
造成像面边缘的光照度
有所下降
这种轴外点的成像光束
被部分拦掉的现象
我们称之为光学系统的渐晕
如图所示
对于轴上点A来说
我们有两个透镜
L1和L2
有一个光阑Q1Q2
我们前面已经讲过了
Q1Q2就是孔径光阑
它经过前方系统
也就是L1所成的像
Q1'Q2'就是入瞳
入瞳是在物空间里面的
对于轴上点A
充满整个入瞳的光束
用蓝色来表示的
它是完全可以通过系统来参与成像
成像于A'
对轴外点B来说
它发出充满入瞳Q1'Q2'
的光束
我们用红色来表示
它的上半部分由于L2
口径的限制
是无法通过L2而参与成像的
它的下半部分
是由于L1的边框的限制
它也是无法通过系统
参与成像的
因此轴外点B发出的光束
它只有一部分能够参与成像
因此
它的光照度就会有所下降
这就是渐晕
下面我们来分析
由入瞳和入窗
共同限制产生渐晕的情形
这个系统的入瞳我们知道
是Q1Q2
入窗我们也知道是P1P2
然后物面也知道
对轴上点A来说
充满入瞳Q1Q2的光束
会参与成像
对于物面的A1点来说
它发出充满入瞳的光束
也能够全部参与成像
因为A1发出的
上边缘光线
正好可以通过入窗
对于物面上的点A2来说
它发出充满入瞳的光束
只有一半的光束能够参与成像
对于A2点来说
它的主光线是通过了
入窗的上边缘
对于物面上的物点A3来说
它发出充满整个入瞳的光束
只有最下面这条边缘光线
能够通过入窗
因此物面上的不同的物点
它能参与成像的光束的大小
是不一样的
它的能量也就是不一样的
这种渐晕我们是可以来定量描述的
有两种系数
一个是线渐晕系数KD
一个是面渐晕系数KS
对于线渐晕系数KD来说
轴上的某一点
它能够参与成像的光束
在入瞳上的大小与入瞳的直径相比
就是线渐晕系数
面渐晕系数也是类似来定义的
请大家课后可以思考一下
何时不存在渐晕?
下面我们来介绍
光学系统光阑的设置原则
限制成像范围的视场光阑
在大多数光学仪器里面
均与系统的实像平面重合
或者非常接近实像平面
以保证入射窗与物平面重合
使得系统具有清晰的视场边界
限制成像光束口径的孔径光阑
不仅限制轴上点成像光束的口径
而且会影响轴外点成像光束的口径
对某些类型的光学系统
孔径光阑的放置
应满足特定的要求
比如说远心光路
在一些较为复杂的系统里面
为了减小仪器的径向尺寸
以及改善轴外点的成像质量
拦掉那些像质不好的光线
常常加入光阑
使轴外光束产生一定的渐晕
这节课就到此为止,谢谢
-1.1.1 课程背景和内容简介
-1.1.2 光学工程的特点
--光学工程的特点
-1.1.3 本课程的学习方法
--本课程的学习方法
--外部链接
-1.2.1 微积分基础知识
--微积分基础知识
-1.2.2 光学工程中的常用函数
-1.2.3 常用函数的运算与变换
-扩展阅读
--SPIE课程:Light in Action-Lasers,Cameras&Other Cool Stuff
--SPIE课程:A Day Without Photonics-A Modern Horror Story
--SPIE课程:Advice to Students from Leaders in the Optics&Photonics Community
--版权说明
-2.1.1 基本概念和光线传播基本定律
-2.1.2 成像基本概念
--成像基本概念
-2.1.3 费马原理
--费马原理
-2.1.4 等光程成像
--等光程成像
-2.1.5 常用曲面形状
--常用曲面形状
-第一次作业--作业
-2.2.1 近轴光学基本概念
--近轴光学基本概念
-2.2.2 近轴球面成像
--近轴球面成像
-2.2.3 近轴球面成像放大率
-2.2.4 物像空间及光学不变量
-2.2.5 矩阵光学简介
--矩阵光学简介
-2.2.6 矩阵光学应用
--矩阵光学应用
-第二次作业--作业
-2.3.1 理想光学系统基本概念
-2.3.2 理想光学系统的基点与基面
-2.3.3 图解法求像
-2.3.4 解析法求像
-2.3.5 理想光学系统的放大率
-2.3.6 理想光学系统焦距关系
-2.3.7 理想光学系统组合
-2.3.8 透镜与薄透镜
-2.3.9 远摄型光组和反远距型光组
-第三次作业--作业
-2.4.1 平面反射镜及双平面反射镜
-2.4.2 反射棱镜及其展开和平行平板成像
-2.4.3 反射棱镜成像方向
-2.4.4 棱镜转动定理
-2.4.5 角锥棱镜和折射棱镜
-2.4.6 光学材料简介
-第四次作业--作业
-2.5.1 光阑简介与孔径光阑
-2.5.2 视场光阑与渐晕
-2.5.3 远心光路
-2.5.4 景深
--2.5.4 景深
-第五次作业--作业
-2.6.1 光度学与色度学基础
-2.6.2 视见函数和光度学
-2.6.3 光传播过程中光学量的变化规律
-2.6.4 色度学基本概念
-2.6.5 CIE标准色度学系统
-第六次作业--作业
-2.7.1 球差
--2.7.1 球差
-2.7.2 色差
--2.7.2 色差
-2.7.3 子午像差和弧矢像差
-2.7.4 彗差、像散、场曲、畸变
-2.7.5 垂轴像差、波像差
-2.7.6 光学传递函数
-第七次作业(像差)--作业
-2.8.1 人眼的光学模型
-2.8.2 人眼的缺陷与校正
-2.8.3 人眼的景深
-2.9.1 光学系统的分辨率
-上篇:应用光学——光学系统的分辨率(光学系统分辨率)
-2.9.2 人眼的分辨率
-上篇:应用光学——光学系统的分辨率--第八次作业(人眼)
-2.10.1 放大镜
-上篇:应用光学——放大镜--第八次作业(放大镜)
-2.10.2 放大镜的光束限制和视场及目镜
-2.11.1 望远系统
-2.11.2 望远镜的放大倍率
-2.11.3 望远镜的视觉放大率
-2.11.4 望远镜的分辨率
-第九次作业(望远镜)--作业
-2.12.1 显微镜及其放大率
-2.12.2 显微镜的视觉放大率
-2.12.3 显微镜的孔径光阑
-2.12.4 显微镜的机械筒长
-2.12.5 显微镜的分辨率及有效放大率
-2.12.6 显微镜的景深
-2.12.7 显微镜的照明系统
-第九次作业(显微镜)--作业
-3.1.1 电磁场的波动性
-3.1.2 平面电磁波及其性质
-3.1.3 球面波与柱面波,光波辐射与辐射能
-3.2.1 电磁场的连续条件(边界条件)
-3.2.2 光在两电介质分界面上的折射与反射
-3.2.3 菲涅耳公式
-3.2.4 全反射与倏逝波
-3.2.5 金属表面的反射
-3.2节课后习题--作业
-3.3.1 光的吸收、色散和散射
-3.4.1 光波的叠加
-3.5.1 干涉原理及相干条件
-3.5节课后习题--作业
-3.6.1 干涉图样计算
-3.6.2 分波阵面干涉装置的特点
-3.6节课后习题--作业
-3.7.1 时间相干性
-3.7.2 空间相干性
-下篇:物理光学——干涉条纹的对比度及其影响因素
-3.8.1 干涉条纹的定域
-3.8.2 平行平板产生的等倾干涉
-3.8.3 楔形平板产生的等厚干涉
-下篇:物理光学——平板的双光束干涉--3.8节课后习题
-3.9.1 斐索干涉仪
-3.9.2 迈克尔逊干涉仪
-下篇:物理光学——典型的双光束干涉系统及其应用
-3.10.1 平行平板的多光束干涉
-3.10.2 F-P 干涉仪
-3.10.3 光学薄膜基础
-3.10.4 单层膜与多层膜
-3.10课后习题--作业
-3.11.1 惠更斯—菲涅耳原理
-3.11.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射公式及衍射分类
-3.11节习题--作业
-3.12.1 夫朗和费衍射公式的意义
-3.12.2 矩孔衍射和单缝衍射
-3.12.3 圆孔衍射
-3.12节习题--作业
-3.13.1 成像系统的分辨本领
-下篇:物理光学—— 光学成像系统的衍射和分辨本领
-3.14.1 双缝与多缝的夫朗和费衍射
-3.14.2 光栅的分光性能
-3.14.3 几种典型光栅
-3.14节习题--作业
-3.15.1 圆孔和圆屏(盘)的菲涅耳衍射
-3.15.2 菲涅耳透镜
-下篇:物理光学—— 菲涅耳衍射(菲涅耳衍射)
-3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
--3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
-3.16.2 光波衍射的傅里叶分析方法
-3.16.3 透镜的傅立叶变换性质
-3.16.4 相干成像系统分析及相干传递函数
-3.16节习题--作业
-3.17.1 非相干成像系统分析及光学传递函数
-3.17.2 阿贝成像理论、波特实验与光学信息处理
-3.17.3 全息术
-3.17节习题--作业
-3.18.1 偏振光概述
-3.18.2 光在晶体中的传播
-3.18.3 单色平面波在晶体中的传播
-3.18.4 单轴晶体中光的传播
-3.18节习题--作业
-3.19.1 光波在晶体表面的折射和反射
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(一)
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(二)
-3.20.2 偏振光和偏振态的琼斯矩阵表示
-3.20节课后作业--作业
-3.21.1 偏振光的变换
-3.21.2 偏振光的测定
-3.21节课后习题--作业
-3.22.1 平面偏振光的干涉
-3.22.2 会聚偏振光的干涉
-3.22节课后习题--作业
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(一)
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(二)
-3.23.2 电光效应(一)
-3.23.2 电光效应(二)
-3.23.3 声光效应
-下篇:物理光学——磁光、电光和声光效应--3.23节课后习题
-期末考试--作业