prosdo.ru 1
Ограничение пучков лучей в оптических системах


В реальных оптических системах ограничение пучков лучей осуществляется оправами оптических деталей и специальными деталями – диафрагмами. Диафрагмы представляют собой центрированные относительно оптической оси светонепроницаемые детали с отверстиями круглой формы.

Отдельно стоящие диафрагмы, или оправы ОД, в зависимости от их размера и положения, предназначены для:

– ограничения осевого (идущего из осевой точки предмета) и внеосевого пучков лучей (влияет на освещенность изображения, распределение освещенности по полю, разрешающую способность);

– для ограничения изображаемого оптической системой пространства (в угловой или линейной мере);

– для уменьшения рассеянного света;

– для специальных целей (например, предохранения приемника от засветки).

В оптических системах используются диафрагмы трех видов:

– апертурная,

– полевая,

– виньетирующая.
3.1. Апертурная диафрагма

Ограничение размера пучков – результат совместного действия всех имеющихся в оптической системе диафрагм. Однако можно выделить одну (наименьшую) диафрагму, и считать, что остальные не ограничивают ход лучей. Такая диафрагма называется апертурной.

Апертура (лат. – отверстие) – это понятие, которое в геометрической оптике определяет размер пучка лучей.

Апертурная диафрагма – это материальная диафрагма, ограничивающая пучок лучей, выходящий из осевой точки предмета (рис.3.1). Такая диафрагма определяет количество энергии излучения проходящее через оптическую систему и влияет на освещенность изображения.

Луч, идущий из осевой точки предмета и проходящий через край апертурной диафрагмы называется апертурным лучом.

Лучи, образующие малые углы  и  с оптической осью и малые углы ε и ε с нормалью к преломляющей поверхности, называют параксиальными лучами, а область в окрестности оси, внутри которой распространяются эти лучи, – параксиальной областью.


Параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов, сформированное предшествующей частью оптической системы в обратном ходе лучей, называется входным зрачком оптической системы.

Если апертурная диафрагма находится в пространстве предметов, то входным зрачком является сама апертурная диафрагма (например, оправа объектива в телескопической системе; в фотографических и проекционных системах АД, как правило, находится внутрии системы, а в микроскопе – после объектива).

Выходной зрачок – это параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное последующей частью оптической системы в прямом ходе лучей.

Если апертурная диафрагма находится в пространстве изображений, то выходным зрачком является сама апертурная диафрагма.

Входной зрачок, выходной зрачок и апертурная диафрагма сопряжены. Апертурный луч внутри системы проходит через край апертурной диафрагмы, в пространстве предметов – через край входного зрачка, а в пространстве изображений – через край выходного зрачка.

Отношение диаметра D выходного зрачка к диаметру D входного зрачка равно линейному увеличению Р оптической системы в зрачках

.

Если АД установлена в передней или задней фокальной плоскости системы, то главные лучи в пространстве изображений и пространстве предметов соответственно параллельны оптической оси. Такие системы называются телецентрическими (например, в микроскопах для исключения влияния неточности фокусировки на правильность результатов измерения).

Апертурный уголА в пространстве предметов – это угол между оптической осью и лучом, выходящим из осевой точки предмета и идущий на края АД.

Апертурный угол А в пространстве изображений – это угол между оптической осью и лучом, проходящим через край АД и осевую точку изображения.


Значения входного А и выходного А апертурных углов связаны через линейное увеличение  оптической системы.

,

где n1 и n3 – показатели преломления пространства предметов и изображений соответственно (n2 – компонентов оптической системы).

Главный луч – это луч, идущий из внеосевой точки предмета и проходящий через центр апертурной диафрагмы.

По законам параксиальной оптики главный луч также проходит через центр входного зрачка в пространстве предметов и через центр выходного зрачка в пространстве изображений (рис.3.2).


Рис.3.2. Внеосевой пучок.

Верхний луч внеосевого пучка – это луч, проходящий через верхний край апертурной диафрагмы и соответствующие ему сопряженные точки входного и выходного зрачков.

Нижний луч внеосевого пучка – это луч, проходящий через нижний край апертурной диафрагмы и соответствующие ему сопряженные точки входного и выходного зрачков.

Чтобы определить, какая из диафрагм оптической системы является апертурной, надо найти изображение всех диафрагм в пространстве предметов в обратном ходе по законам параксиальной оптики.

Апертурная диафрагмаэто диафрагма, изображение которой видно под наименьшим углом из осевой точки предмета.

Если предмет находится на бесконечности, то апертурная диафрагма – это диафрагма, изображение которой имеет наименьшие линейные размеры.
Полевая диафрагма
Поле – это часть плоскости предметов, которая изображается оптической системой. В параксиальной оптике размер поля неограничен. В реальной оптической системе поле ограничивается полевой диафрагмой.

Полевая диафрагмаэто диафрагма, ограничивающая размеры поля.


Полевая диафрагма располагается либо на поверхности предмета, либо на поверхности изображения, либо в плоскости промежуточного изображения.

В трубе Кеплера это оправа сетки, установленной в плоскости действительного промежуточного изображения объекта: tg  = ПД / 2f.
Виньетирование

Если пучки лучей ограничиваются только апертурной диафрагмой, то они полностью заполняют зрачок. Если внеосевые пучки дополнительно ограничиваются помимо апертурной другими диафрагмами, то зрачок заполняется не полностью (рис.3.3). Это дополнительное ограничение или срезание пучков называется виньетированием.

Коэффициент виньетирования – это отношение размеров срезаемой части диафрагмы к ее радиусу.

Внеосевой пучок лучей в случае виньетирования показан на рис.3.3.



Рис.3.3. Виньетированный пучок лучей.

Достоинства виньетирования:


  • способствует уменьшению поперечных габаритов оптической системы,

  • исключает из формирования изображения крайние зоны внеосевых пучков (именно они обычно имеют большие и трудно устранимые аберрации).

Недостатки виньетирования:

  • уменьшает размеры пучков, следовательно, уменьшает энергию пучка, что приводит к неравномерному распределению освещенности внеосевых зон изображения,

  • в дифракционно-ограниченных оптических системах качество изображения определяется дифракцией, причем чем меньше результирующая апертура (размер пучка), тем больше влияние дифракции, то есть ухудшается качество изображения.