光阑(Stop)

2021-04-06 15:16:14 浏览:1838

定义

在光学系统中,不论是限制成像光束的光孔,或者是限制成像范围的光孔或框架,都统称为“光阑”。

 

图 1 可变光阑实物图

光阑可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏。其作用可分两方面,限制光束或限制视场(成像范围)大小。光学系统中限制光束最多的光阑,称为孔径光阑,限制视场(大小)最多的光阑,称为视场光阑。由上可知,孔径光阑和视场光阑两者都是实物。

孔径光阑(Aperture Stop)

定义:用来限制进入光学系统的成像光束的光阑,被称为孔径光阑(简称孔阑)

作用:

  • 孔径光阑可以限制轴上点的成像光束,也可以限制轴外点的成像光束。
  • 孔径光阑的位置对于轴外点的成像有着非常大的影响。

 

图 2 光阑对轴外光束的限制

 

图 3 孔径光阑对轴上点光束的限制无论在什么位置都一样

入射光瞳(简称入瞳,Entrance Pupil)是孔径光阑经其前面的镜组在物空间的像。出射光瞳(简称出瞳,Exit Pupil)是孔径光阑经其后面的镜组在像空间的像。

 

图 4 入瞳出瞳与孔径光阑的关系

入瞳、出瞳和孔径光阑三者是共轭关系,如图4所示。通过入瞳中心的光线必通过孔径光阑中心,并过出瞳中心。通过入瞳边缘的光线必通过孔阑边缘,并过出瞳边缘。入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口;出瞳是物面上各点发出光束经整个光学系统以后从最后一个光孔出射的共同出口,如图5所示,如果孔径光阑在整个光学系统的像空间,它本身也就是出射光瞳。反之,在物空间,就是入射光瞳。

物点和入瞳中心的连线称为主光线,主光线也通过孔阑和出瞳的中心,入瞳中心是所有主光线的交点。

 

图 5 入瞳和出瞳分别是物面各点光线的共同入口和出口

与入瞳出瞳相关的还有物像方孔径角,如图5所示,轴上物点发出的过入瞳边缘的光线与光轴的夹角U称为物方孔径角,出瞳边缘射到像点的光线与光轴的夹角U´称为像方孔径角。

视场光阑(Field Stop)

定义:光学系统中限制成像范围的光阑称为视场光阑。

作用:限制物平面或物空间的成像范围。

入射窗是视场光阑经其前面的镜组在物空间的像。与之对应,出射窗是视场光阑经其后面的镜组在像空间的像。

视场光阑、入窗和出窗三者是相互共轭的。

显微系统的光束限制

 

图 6 显微系统的光束限制

渐晕(Vignetting)

渐晕是光学系统中轴外光束被拦截的现象。而产生渐晕的光阑则称为渐晕光阑,其结果是拦截了轴外点光束,使其孔径角小于轴上物点孔径角。

 

图 5 渐晕

评价渐晕常使用线渐晕系数(Linear vignetting coefficient)或面渐晕系数(Area vignetting coefficient)。

一些结论:当系统存在渐晕时,视场没有确定的界线;只能是对确定的渐晕,有确定的视场大小;存在渐晕时,轴上物点像亮,边缘像点逐渐变暗;在光学系统中,渐晕产生的原因多是透镜框;同时可利用渐晕拦截像差大的成像光束来提高成像质量。

还有一类光阑为消杂光光阑,作用是限制杂散光(从视场外射入系统,或由镜头内部的光学表面、金属表面及镜座内壁的反射和散射所产生),在此不做赘述。

参考文献

[1] 郁道银,谈恒英.工程光学[M].3版.北京:机械工业出版社,2011:52-56.

参阅:理想光学系统、像差

成像基本概念

作          者: 泮桥成像光电商城

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