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光阑在光学系统中的作用

2023-05-22 14:59| 发布者: | 查看: |

光学系统除应满足物像共轭位置和成像放大率外,还应有两个要求:一定的成像范围:在像平面上有一定的光能量和反映物体细节的能力(即分辨率,由衍射理论知其和光束的孔径成正比)。

在设计光学系统时,应按其用途,要求在成像范围内的各点以一定立体角的光束通过光学系统成像。

总之,上述要求是一个如何合理地限制光束的问题。

光学系统的横向尺寸取决于光束限制的要求,即成像范围的大小和成像光束的孔径确定后,一般来说,光学系统的横向尺寸也确定了。

因为透镜或其他光学元件夹持在金属或塑料框以内,金属或塑料框本身的内孔就是限制光束作用的光孔,这个光孔对光学零件来说称为“通光孔径”。

光学系统中单是用光学零件的金属或塑料框内孔来限制光束有时是不够的,有许多光学系统还设置一些带孔的薄片(也可能用透镜框),称为“光阑”。

光阑可以是圆形的、长方形的或正方形的,取决于其用途。大多数情况下光阑是圆形的,在一些系统(如照相物镜)中设置直径可变的光阑。

光阑的中心一般与系统的光轴重合,光阑平面与光轴垂直。

在实际光学系统中的光阑,按其作用可分为以下几种:

1. 孔径光阑

也称有效光阑。如果在通过光轴的平面(如子午面)内来考虑,它决定了轴点发出的平面光束的孔径角。

孔径光阑的位置在有些光学系统中有特定的要求。例如对于目视光学系统,孔径光阑或其像一定要在光学系统以外,使眼睛的瞳孔与之重合,达到良好的观察效果。

图1:光阑位置对光束宽度和光学系统横向尺寸的影响

在有些光学系统中,合理地选择光阑的位置可以改善轴外点的成像质量,因为对于轴外点发出的宽光束而言,不同的光阑位置在不改变轴上点光束的前提下,可以选择不同部分的光束参与成像,即可以选择成像质量较好的那部分光束,如图1所示,当光阑在位置1时,轴外点B以光束BM1N1成像,而光阑在位置2时,即以光束BM2N2成像,这样可以把成像的质量较差的那部分光束拦掉。

必须指出,光阑位置改变时,应相应地改变其直径以保证轴上点的光束的孔径角不变。

此外,合理地选取光阑位置,在保证成像质量的前提下,可以使整个光学系统的横向尺寸减小,结构匀称。由图1可以看出,光阑在位置2时所需的透镜孔径比在位置1时所需的孔径要小。

作为目视观察用的光学系统,如放大镜、望远镜等系统,一定要把眼睛的瞳孔作为整个系统的一个光阑来考虑。

2. 视场光阑

安置在物平面或者像平面上限制成像范围的光阑称为视场光阑,如照相系统、摄影系统中专门安置的片门,多为方形或长方形的。又如测量显微镜的分划板为视场光阑。

视场光阑的形状是根据光学系统的用途确定的。

3. 渐晕光阑

如图2所示,透镜框Q1Q2作为孔径光阑,限制了轴上点A发出的光束,即点A以充满孔径光阑的光束成像。

图2:渐晕光阑示意图

设在孔径光阑之前有光阑M1M2,对轴上点光束没有限制,但对由轴外点B发出的充满孔径光阑的光束有限制作用,如图2上阴影线部分是被光阑M1M2拦掉的部分光束。

轴外光束被拦截的现象称为“渐晕”,产生渐晕的光阑称为“渐晕光阑”。

渐晕光阑多是透镜框。

在一些光学系统中,如照相物镜,一般允许有一定的渐晕存在,使轴外点以窄于轴上点的光束成像,即把成像质量较差的那部分光束拦掉,可以适当提高成像质量。但由于渐晕的存在,像平面上轴外点的光照度低于轴上点的光照度。

允许渐晕存在还可使光学系统的外形尺寸有所减小。

4. 消杂光光阑

光学系统除通过成像光束外,还会有一部分非成像物体发出的光进入光学系统,由仪器内壁反射而投射到成像面上。另外成像光束在透过光学零件成像的同时,还有一部分被折射面反射,经多次反射后也会投射到像面。这些光称为杂光或杂散光。杂光投射入系统后并均匀地分布在成像面上,可能淹没了衬度低的部分,有损于成像质量。

安置消杂光光阑,可以拦掉一部分杂光,如图3所示。

图3:消杂光光阑示意图

对于一些重要的光学系统,如天文望远镜、长焦距平行光管等,专门安置消杂光光阑。在一个光学系统的镜筒中可以有多个消杂光光阑。

而在一般的光学系统中,镜筒内壁有时加工成螺纹,并涂黑色以达到消杂光的目的。

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