文档介绍：光学仪器基本原理§1 光阑透镜、反射镜和棱镜等光学元件的框架都有一定的尺寸大小。它们必然限制成像光束的截面。有些成像系统为了限制成像光束的截面, 还特别附加有一定形状的开孔屏。我们定义, 凡是在光学系统中起拦光作用的光学元件的边框和特加的有一定形状的孔屏统称为光阑。一、孔径光阑入射光瞳和出射光瞳在实际光学系统中, 不论有多少个光阑, 一般来说, 其中只有一个为孔径光阑, 它起着控制进入光学系统的光能量的多少、成像质量以及物空间的深度等作用,故有时也称有效光阑。研究实际物体对光学系统的孔径光阑的问题十分复杂,很难普遍讨论。下面仅对轴上物点分析光学系统中对成像起限制作用的孔径光阑。图 2-1 中 MN 为薄透镜 L 的边缘, AB 为开有圆孔的光阑。在这一系统中,有两个光阑:透镜的框边和光阑 AB 。依图 2-1 所示,这两个光阑中对光线起限制作用的是光阑 AB ,因此光阑 AB 是该光学系统的孔径光阑。轴上物点的位置不同,也会影响孔径光阑,如图 2-2 所示的光学系统中包括透镜 L 和开孔屏 D, 它们都是光阑。若轴上物点位于 Q1 点, 系统中对成像光束起最大限制作用的是孔屏 D。因此, D 是系统对 Q1 处的物点的孔径光阑。同样是这个光学系统,若物点放在 Q2 处, 则对成像光束起最大限制作用的是透镜 L 的边框, 因此 L是 Q2 物点的孔径光阑。找到了孔径光阑, 一般情况下还不能直接找出其成像光束通过光学系统的孔径角。换句话说, 给定的轴上物点对孔径光阑的张角并不是实际通过光学系统的光束的孔径角。产生这种结果的原因是在孔径光阑前后可能还存在其它透镜, 对光束起折射作用。为此我们需要引入入射光瞳和出射光瞳两个新概念。在图 2-3 中,有三个光阑: L1 边框、 AB 孔径和 L2 边框。对光线起有效控制的是 AB 光阑。因此 AB 是孔径光阑。 A′B′是 AB 经前方透镜 L1 所成的像,显然物点 Q 发出的能够通过光学系统的光束,对 L1 的最大张角正是物点对 A′B′的孔径角。定义 A′B′为入射光瞳。同理,孔径光阑 AB 经后方透镜 L2 所成的像对像点 Q′的孔径角为出射光束的最大孔径角,定义这个像 A″B″为光学系统的出射光瞳。单个的薄透镜只有一个光阑。孔径光阑就是透镜的孔径。同时孔径光阑就是薄透镜的入射光瞳和出射光瞳。二、视场光阑入射窗出射窗孔径光阑对轴上物点发出的单心光束起限制作用, 当然对轴外物点发出的单心光束也会有限制作用。值得注意的是, 能通过孔径光阑的轴外物点发出的单心光束并不一定能通过光学系统, 所以对轴外物点成像光束的限制不能用孔径光阑去判定。图 2-4 所示的光学系统由透镜 L 和光孔屏 CD 组成,对于轴上物点 Q 来说,透镜 L 是孔径光阑。同一物平面上 P 点发出的倾斜光束经透镜 L 时,就要被遮拦一部分。由图可知,当ω角增大为某一值ω0 时,光束将全部被遮拦, P 点将不能再成像。由此可见,光阑 CD 限制了成像的空间范围。由此我们定义光学系统的所有光阑中, 对成像空间起限制作用最大的光阑称为视场光阑。显然,图 2-4 所示系统中 CD 为视场光阑, ω0 为入射视场角,物平面上视场角ω0 所限定的范围叫做视场。视场范围以外的物点, 虽然主光线不能通过光学系统, 但是还有部分光线通过光学系统到达像面, 因此并不是不能成像, 只是随离轴距离的增大, 能通过系统的成像光束越来越窄, 相应的像点也就越来越暗, 这种现象叫做渐晕现象。视场光阑由其前方的光具组所成的像叫入射窗。入射窗和出射窗相对于整个光学系统是共轭的。凡是能全部通过入射窗的倾斜光束也一定能无遮拦地全部通过光学系统。因此为了克服渐晕现象, 把有用的视场清楚地划分出来, 可以让视场光阑本身或入射窗落在物平面上, 这样可使视场外的物点完全不能成像。例如投影仪的视场光阑 DD 就设在物平面上(图 2-5) 。照相机的视场光阑 D′D′就是照相机的底片框,它的物方像——入射窗 DD 恰好落在物平面上(图 2-6) 。§2 像差简介从第一章的讨论已知, 理想光学系统对近轴物体发出的窄光束能理想成像, 即每一个物点对应一个像点; 每一个物平面对应一个像平面, 而且系统对同一物平面上的点的横向放大率是一个常数。由于实际的光学系统中非近轴物点和非近轴光线也参与成像, 因此实际像与理想像之间存在着偏差, 这种偏差就是像差。像差可分为单色像差和色差两种。共轴系统的单色像差可分为球差、彗差、像散、场曲和畸变五种。色差是由于光学系统中的透镜材料对不同波长的光折射率不同产生色散而导致的像差。一、球差入射到薄透镜上的平行于主光轴的单色光束, 如果是近轴光线, 则经过透镜折射后与光轴交于一点;如果不是近轴光线,而是大孔径光束,则折射光线与主轴的交点就不是一点