2.4 Реальные оптические системы.
В
отличие от идеальной, через реальную
оптическую систему проходят реальные
лучи, а не нулевые (параксиальные).
Отклонение хода реального луча от
идеального луча связано со строгим
выполнением законов преломления и
отражения на реальных поверхностях
оптических систем. Основные отличия
реальной ОС от идеальной вызваны тем
что:
В реальной ОС происходит ограничение пучков, то есть не все существующие лучи проходят через оптическую систему и достигают изображений. Проходящие пучки лучей имеют конечные размеры.
Ход лучей, проходящих через оптическую систему, не совпадает с ходом идеальных лучей из-за аберраций.(рисунок 22).
Рисунок 21. Ход реального луча
Отклонение
хода реального луча от идеального
называют
Аберрациями
лучей (
лат- отклонение)-. Позже мы поговорим о
них более подробно.
Рисунок 22. Причины не прохождения лучей через поверхность.
Ограничения пучков лучей в реальных оптических системах.
Оптические системы имеют конечные физические размеры, что накладывает ограничения на пучки проходящие в них. Такие ограничения изображаются в виде диафрагм, роль которых могут играть оправы линз, а также отдельно стоящие диафрагмы.
Диафрагма (от греч. διάφραγμα — перегородка) — оптический прибор, непрозрачная преграда, ограничивающая поперечное сечение световых пучков в оптических системах
Апертурная диафрагма.
О
граничение
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.
Рисунок 23. Апертурная диафрагма
Апертура (лат.-отверстие)- это понятие определяет размер пучка в геометрической оптике.
Апертурная диафрагма -это диафрагма которая ограничивает размер осевого пучка (пучок идущей из осевой точки предмета).
Апертурный луч- луч идущий из осевой точки предмета и проходящий через край апертурной диафрагмы.
Входной зрачок ОС- параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве предметов, сформированное предшествующей частью оптической системы в обратном ходе лучей.
Выходной зрачок ОС- параксиальное изображение апертурной диафрагмы в пространстве изображений, сформированное предшествующей частью оптической системы в прямом ходе лучей.
Главный луч- это луч идущий из внеосевой точки предмета и проходящий через центр апертурной диафрагмы.
Верхний луч внеосевого пучка- это луч проходящий через верхний край апертурной диафрагмы и соответствующие ему сопряжённые точки входного и выходного зрачка.
Рисунок 24. Внеосевой пучок
Нижний луч внеосевого пучка- это луч, проходящий через нижний край апертурной диафрагмы и соответствующие ему сопряжённые точки входного и выходного зрачков.
Полевая диафрагма.
П
оле
–это часть
плоскости предметов, которая изображается
оптической системой.
В параксиальной оптике размер поля не ограничен, в реальной ОС оно ограничивается полевой диафрагмой.
Полевая диафрагма располагается либо на поверхности предмета, либо на поверхности изображения, либо в плоскости промежуточного изображения.
Рисунок 25. Полевая диафрагма
Изображение полевой диафрагмы через соответствующие части оптической системы называются входными и выходными люками.
Виньетирование.
Если внеосевые пучки дополнительно ограничиваются помимо апертурной диафрагмы другими диафрагмами, то зрачок заполняется не полностью. Это дополнительное ограничение или срезание пучков называется виньетированием.
Применяется для:
уменьшения поперечных габаритов оптической системы
исключения из формирования изображения крайних зон внеосевых пучков (наибольшие и трудно устранимые аберрации).
Недостатки:
Уменьшает энергию пучка, что приводит к неравномерному распределению освещённости внеосевых зон изображения.
Ухудшается качество изображения (чем меньше результирующая апертура тем больше влияние дифракции.
Р
исунок
26. Виньетирование
Коэффициент виньетирования –отношение размеров срезаемой части диафрагмы к её радиусу.
Кв=2ав/Dд
Рисунок 27. Виньетированный пучок лучей
Описание предметов, изображений и зрачков в реальных ОС.
Ниже кратко приведено обобщённое, общепринятое описание основных элементов ОС (предметов, изображений и зрачков).
В
еличину
предмета
принято рассматривать как расстояние
от оси до его крайней точки, она является
половиной всего поля.
Рисунок 28. Предмет и изображение ближнего типа
Передний (задний) отрезок-величина определяющая положение предмета (изображения) по отношению к оптической системе. Передний отрезок для ближнего типа измеряется от первой поверхности ОС до предмета, а задний от последней до изображения.
Размеры зрачков определяют через синусы апертурных углов, умноженные на соответствующие показатели преломления- “оптические синусы”. Эти размеры называются числовыми апертурами, и определяются как:
А0=n*sinσа А’0=n’*sinσ’а |
(14) |
Положение зрачка измеряется относительно предмета(изображения) в обратных миллиметрах
Sp=1/zp S’p=1/z’p [кдптр] |
(15) |
Если предмет или изображение находится достаточно далеко от оптической системы, то мы сможем осенить только его угловые размеры. Точка из которой измеряются угловые размеры предмета или изображения называется полюсом. Будем считать что полюс находится в центре входного зрачка для предмета и в центре выходного зрачка для изображения.
Рисунок 29. Предмет и изображение ближнего типа
Величина предмета (изображения) дальнего типа- это угол, под которым, под которым видна крайняя точка предмета (изображения) из центра входного (выходного зрачка).
Положение предмета (изображения) измеряется в обратных миллиметрах относительно входного(выходного) зрачка.
S=1/z S’=1/z’ [кдптр] |
(16) |
A0=n*(Dp /2) A’0=n*(D’p /2) [мм] |
(17) |
Положение зрачка Sp и S’p определяется в миллиметрах от оптической системы.