7.2. Ограничения пучков лучей

Ограничения пучков в оптических системах связаны с конечностью физических размеров оптических элементов. Эти ограничения обозначаются на схемах и чертежах в виде диафрагм, роль которых могут играть оправы линз, а также отдельно стоящие диафрагмы.

В принципе диафрагмы могут рассматриваться не только для реальных, но и для нулевых лучей (то есть в параксиальной области). Как правило, в первом приближении анализ габаритов пучков производится в параксиальной области, но впоследствии расчеты обязательно уточняют с использованием реальных лучей.

7.2.1. 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 (рис.7.2.1).

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

Рис.7.2.1. Апертурная диафрагма.

Апертурная диафрагма – это диафрагма, которая ограничивает размер осевого пучка (идущего из осевой точки предмета).

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

Если апертурная диафрагма находится в пространстве предметов, то входным зрачком является сама апертурная диафрагма.

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.

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.7.2.2).

Рис.7.2.2. 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 диафрагма – это 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.

Определению положений и размеров зрачков и построению хода апертурного и главного луча посвящена лабораторная работа "Ограничение пучков лучей в оптических системах".

Решение задач на построение хода апертурного и главного лучей, нахождение апертурной диафрагмы и определение положения и размера зрачков рассматривается в практическом занятии "Расчет положений зрачков на основании данных об апертурной диафрагме для различных типов оптических систем".

7.2.2. 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 диафрагма – это диафрагма, ограничивающая размеры поля.

Полевая диафрагма располагается либо на поверхности предмета, либо на поверхности изображения, либо в плоскости промежуточного изображения. Изображения полевой диафрагмы через соответствующие части оптической системы называются входными и выходными люками (окнами) (рис.7.2.3).

Рис.7.2.3. Полевая диафрагма.

Решение задач на определение углового и линейного полей оптической системы рассматривается в практическом занятии "Расчет положений зрачков на основании данных об апертурной диафрагме для различных типов оптических систем", в пункте "6.4. Расчет углового и линейного поля".

7.2.3. Виньетирование

Если пучки лучей ограничиваются только апертурной диафрагмой, то они полностью заполняют зрачок, как показано на рис.7.2.3. Если внеосевые пучки дополнительно ограничиваются помимо апертурной другими диафрагмами, то зрачок заполняется не полностью (рис.7.2.4). Это дополнительное ограничение или срезание пучков называется виньетированием.

Рис.7.2.4. Виньетирование.

В общем случае область диафрагмы выглядит так, как показано на рис.7.2.5, из которого видно, что пучок срезается сверху на величину , и снизу на величину . Эти величины могут быть равны друг другу, тогда виньетирование симметрично. Если – виньетирование несимметрично.

Рис.7.2.5. Виньетирование (плоскость апертурной диафрагмы).

Коэффициент виньетирования – это отношение размеров срезаемой части диафрагмы к ее радиусу. Коэффициенты виньетирования сверху и снизу вычисляются следующим образом:

      (7.2.1)

Внеосевой пучок лучей в случае виньетирования показан на рис.7.2.6.

Рис.7.2.6. 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.

Решение задач на определение коэффициентов виньетирования рассматривается в практическом занятии "Расчет положений зрачков на основании данных об апертурной диафрагме для различных типов оптических систем", в пункте "6.5. Определение коэффициентов виньетирования".