Апертурная диафрагма

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.

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 s и s¢ 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 b_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 угол s_А в пространстве предметов – это угол между оптической осью и лучом, выходящим из осевой точки предмета и идущий на края АД.

Апертурный угол s¢_А¢ в пространстве изображений – это угол между оптической осью и лучом, проходящим через край АД и осевую точку изображения.

Значения входного s_А и выходного s¢_А¢ апертурных углов связаны через линейное увеличение b 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 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.