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光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用

2023/11/16 來源:東莞市懿展精密五金制品有限公司

光學(xué)系統(tǒng)除應(yīng)滿足物像共軛位置和成像放大率外,還應(yīng)有兩個要求:一定的成像范圍:在像平面上有一定的光能量和反映物體細(xì)節(jié)的能力(即分辨率,由衍射理論知其和光束的孔徑成正比)。

在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時,應(yīng)按其用途,要求在成像范圍內(nèi)的各點以一定立體角的光束通過光學(xué)系統(tǒng)成像。

總之,上述要求是一個如何合理地限制光束的問題。

光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸取決于光束限制的要求,即成像范圍的大小和成像光束的孔徑確定后,一般來說,光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸也確定了。

因為透鏡或其他光學(xué)元件夾持在金屬或塑料框以內(nèi),金屬或塑料框本身的內(nèi)孔就是限制光束作用的光孔,這個光孔對光學(xué)零件來說稱為“通光孔徑”。

光學(xué)系統(tǒng)中單是用光學(xué)零件的金屬或塑料框內(nèi)孔來限制光束有時是不夠的,有許多光學(xué)系統(tǒng)還設(shè)置一些帶孔的薄片(也可能用透鏡框),稱為“光闌”。

光闌可以是圓形的、長方形的或正方形的,取決于其用途。大多數(shù)情況下光闌是圓形的,在一些系統(tǒng)(如照相物鏡)中設(shè)置直徑可變的光闌。

光闌的中心一般與系統(tǒng)的光軸重合,光闌平面與光軸垂直。

在實際光學(xué)系統(tǒng)中的光闌,按其作用可分為以下幾種:

1. 孔徑光闌

也稱有效光闌。如果在通過光軸的平面(如子午面)內(nèi)來考慮,它決定了軸點發(fā)出的平面光束的孔徑角。

孔徑光闌的位置在有些光學(xué)系統(tǒng)中有特定的要求。例如對于目視光學(xué)系統(tǒng),孔徑光闌或其像一定要在光學(xué)系統(tǒng)以外,使眼睛的瞳孔與之重合,達到良好的觀察效果。

圖1:光闌位置對光束寬度和光學(xué)系統(tǒng)橫向尺寸的影響

在有些光學(xué)系統(tǒng)中,合理地選擇光闌的位置可以改善軸外點的成像質(zhì)量,因為對于軸外點發(fā)出的寬光束而言,不同的光闌位置在不改變軸上點光束的前提下,可以選擇不同部分的光束參與成像,即可以選擇成像質(zhì)量較好的那部分光束,如圖1所示,當(dāng)光闌在位置1時,軸外點B以光束BM1N1成像,而光闌在位置2時,即以光束BM2N2成像,這樣可以把成像的質(zhì)量較差的那部分光束攔掉。

必須指出,光闌位置改變時,應(yīng)相應(yīng)地改變其直徑以保證軸上點的光束的孔徑角不變。

此外,合理地選取光闌位置,在保證成像質(zhì)量的前提下,可以使整個光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸減小,結(jié)構(gòu)勻稱。由圖1可以看出,光闌在位置2時所需的透鏡孔徑比在位置1時所需的孔徑要小。

作為目視觀察用的光學(xué)系統(tǒng),如放大鏡、望遠(yuǎn)鏡等系統(tǒng),一定要把眼睛的瞳孔作為整個系統(tǒng)的一個光闌來考慮。

2. 視場光闌

安置在物平面或者像平面上限制成像范圍的光闌稱為視場光闌,如照相系統(tǒng)、攝影系統(tǒng)中專門安置的片門,多為方形或長方形的。又如測量顯微鏡的分劃板為視場光闌。

視場光闌的形狀是根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的用途確定的。

3. 漸暈光闌

如圖2所示,透鏡框Q1Q2作為孔徑光闌,限制了軸上點A發(fā)出的光束,即點A以充滿孔徑光闌的光束成像。

圖2:漸暈光闌示意圖

設(shè)在孔徑光闌之前有光闌M1M2,對軸上點光束沒有限制,但對由軸外點B發(fā)出的充滿孔徑光闌的光束有限制作用,如圖2上陰影線部分是被光闌M1M2攔掉的部分光束。

軸外光束被攔截的現(xiàn)象稱為“漸暈”,產(chǎn)生漸暈的光闌稱為“漸暈光闌”。

漸暈光闌多是透鏡框。

在一些光學(xué)系統(tǒng)中,如照相物鏡,一般允許有一定的漸暈存在,使軸外點以窄于軸上點的光束成像,即把成像質(zhì)量較差的那部分光束攔掉,可以適當(dāng)提高成像質(zhì)量。但由于漸暈的存在,像平面上軸外點的光照度低于軸上點的光照度。

允許漸暈存在還可使光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸有所減小。

4. 消雜光光闌

光學(xué)系統(tǒng)除通過成像光束外,還會有一部分非成像物體發(fā)出的光進入光學(xué)系統(tǒng),由儀器內(nèi)壁反射而投射到成像面上。另外成像光束在透過光學(xué)零件成像的同時,還有一部分被折射面反射,經(jīng)多次反射后也會投射到像面。這些光稱為雜光或雜散光。雜光投射入系統(tǒng)后并均勻地分布在成像面上,可能淹沒了襯度低的部分,有損于成像質(zhì)量。

安置消雜光光闌,可以攔掉一部分雜光,如圖3所示。

圖3:消雜光光闌示意圖

對于一些重要的光學(xué)系統(tǒng),如天文望遠(yuǎn)鏡、長焦距平行光管等,專門安置消雜光光闌。在一個光學(xué)系統(tǒng)的鏡筒中可以有多個消雜光光闌。

而在一般的光學(xué)系統(tǒng)中,鏡筒內(nèi)壁有時加工成螺紋,并涂黑色以達到消雜光的目的。

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