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  • 光學(xué)系統(tǒng)概述

    作者:佚名 來源:網(wǎng)絡(luò)文檔 時間:2019-01-06 17:06 閱讀:10522 [投稿]
    光學(xué)系統(tǒng)(optical system)是指由透鏡、反射鏡、棱鏡和光闌等多種光學(xué)元件按一定次序組合成的系統(tǒng)。

    視場光闌是光學(xué)系統(tǒng)中決定其成像范圍的一個光孔。在有中間實(shí)像平面的系統(tǒng)(例如開普勒望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡)和有實(shí)像平面的系統(tǒng)(例如攝影系統(tǒng))中,視場光闌都設(shè)置在這種像平面上。視場光闌被其前面的光學(xué)零件在物空間中所成的像稱為入射窗,它對入射光瞳中心所張的角度是所有光孔像中最小者,這個角度稱為視場角。同樣,視場光闌被其后面的光學(xué)零件在像空間所成的像稱為出射窗。入射窗、視場光闌和出射窗也是共軛的。當(dāng)視場光闌設(shè)置在實(shí)像平面或中間實(shí)像平面上時,入射窗和出射窗分別與物平面和像平面重合,此時視場有明晰的邊界。在無實(shí)像或中間實(shí)像平面的場合,例如眼睛通過放大鏡或伽利略望遠(yuǎn)鏡觀察時,系統(tǒng)中也總有一個零件,它的通光孔徑起著限制視場的作用,上述二情況中,放大鏡本身孔徑和望遠(yuǎn)鏡物鏡的孔徑就是決定可見視場范圍的視場光闌。顯然,此時入射窗不與物平面重合,無明晰的視場邊界。

    相對孔徑

    成像儀器中物鏡直徑D與焦距f的比值。用來描述物鏡集光能力的物理量,因?yàn)橄衩嫔系墓馔棵芏扰c(D/f)2成正比。相對孔徑的倒數(shù)稱光圈系數(shù),或稱F數(shù)。攝影鏡頭都設(shè)有可調(diào)光闌(俗稱光圈),用來調(diào)節(jié)相對孔徑的大小,從而調(diào)節(jié)感光片上的光通量密度。鏡頭上刻有一系列的F數(shù),F(xiàn)數(shù)每減小原值的2-1/2倍,光通量密度增大2倍。通用的F數(shù)系列值為

    1,1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22,…

    上述各檔數(shù)值由下式算得(經(jīng)四舍五入):11

    光圈系數(shù)(F數(shù))=(21/2)x

    x為正整數(shù),稱光圈系數(shù)的指數(shù),也叫AV值。上述F數(shù)系列中相鄰兩檔的數(shù)值相差2倍,相應(yīng)光通量密度相差2倍,AV值相差一級。

    漸暈現(xiàn)象

    在理想情況下,軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)的光束都受孔徑光闌的限制,有基本相同的光束孔徑角,如果視場不太大,整個視場的像面照度基本均勻。然而在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中,軸外點(diǎn)成像光束往往受其他光學(xué)零件通光孔的限制,結(jié)果是軸外點(diǎn)的光束孔徑角比軸上點(diǎn)的小得多。這是因?yàn)橐馆S外點(diǎn)也以充滿入射光瞳的光束成像時,那些遠(yuǎn)離孔徑光闌的透鏡需要有相當(dāng)大的直徑,并且對全孔徑軸外光束校正好像差也非常困難。因此,為了改善軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量、也為了光學(xué)零件的橫向尺寸不特別大,常用適當(dāng)減小某幾個透鏡直徑的方法來對軸外光束作必要的限制。這種軸外點(diǎn)發(fā)出充滿入射光瞳的光束被某些光學(xué)零件部分?jǐn)r截而不能全部通過光學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)象,稱為光束漸暈。軸外點(diǎn)離光軸越遠(yuǎn),攔截現(xiàn)象(即漸暈)越嚴(yán)重,結(jié)果是視場外圍的像面照度大大降低。當(dāng)然,絕大部分光學(xué)系統(tǒng)都允許存在一定程度的漸暈。

    成像光束

    物點(diǎn)的成像光束是一個以物點(diǎn)為頂點(diǎn),以入射光瞳為底的空間光錐。此光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)以后,其結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,對于軸對稱光學(xué)系統(tǒng)(絕大多數(shù)系統(tǒng)屬這一類),軸上點(diǎn)光束總具有對稱性質(zhì),但軸外點(diǎn)光束經(jīng)系統(tǒng)后失去對稱。為便于了解這種光束的結(jié)構(gòu),通常取其二個特征面上的平面光束來進(jìn)行描述。

    包含軸外物點(diǎn)和光軸的平面稱為子午平面。由于光學(xué)系統(tǒng)的軸對稱性質(zhì),軸外物點(diǎn)總可取在作圖平面上,即紙平面就是子午平面。位于子午平面上的光束稱為子午光束。顯然,主光線一定是子午光束中的一條光線。

    包含主光線并與子午平面垂直的平面稱為弧矢平面。位于弧矢平面上的光束稱為弧矢光束。顯然,主光線就是子午平面與弧矢平面的交線。由于主光線要經(jīng)系統(tǒng)各個表面的折射、反射而改變其方向,所以,弧矢平面也逐面發(fā)生變化而不是一個統(tǒng)一的平面。

    由于光學(xué)系統(tǒng)的軸對稱性,軸上點(diǎn)光束無需區(qū)分子午光束與弧矢光束,軸外點(diǎn)光束則一定是對子午平面對稱的。

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