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光学系统图以及系统参数设置

2021-12-20 11:04| 发布者:Davis| 查看:2674| 评论:0|原作者: 小小光08

摘要:本文介绍了光学系统图及参数设置,包括视场角、物高、孔径直径等,以及近轴光像高和工作F数的定义。此外,还介绍了归一化处理在光学设计中的应用。

 
1、光学系统图
 


上图是一个典型的成像系统。
(1)  物面(OBJ);
(2)  像面(IMA);
(3)  光阑面(STO);
(4)  物高,上图中为-y;
(5)  像高,上图中为y`;
(6)  共轭距,从物面到像面的距离。共轭距既可以是无限(infinite conjugate),也可以是有限(finite conjugate);
(7)  物距(OD),从物面到物镜第一个面的距离,在无限共轭距时是infinity。需要注意的是,在应用光学中,物距的定义是物面到物镜的前主面;
(8)  后焦距(BFL),从物镜最后一个面到像面的距离,也叫后截距。需要注意的是,在应用光学中,物镜的后主面到像面的距离;
(9)  物镜长度(Vertex Length,VL),从物镜第一个面的顶点到最后一面顶点的距离;
(10)  系统长度(System Track),从物镜第一个面到像面的距离,即VL+BFL;
(11)  大视场主光线,由轴外物点发出,经过孔径光阑中心的光线。在物空间,主光线与光轴的夹角ω称为视场角;在像空间,主光线与光轴的夹角记为ω`;一般情况,ω和ω`并不相等。物镜的视场角通常指的是ω,即物方视场角;
(12)  0视场大孔径光线,又称轴上大孔径光线,是由轴上物点发出并通过光阑边缘的光线。该光线与光轴的夹角,在物空间为物方孔径角-u(上图中需加负号),在像空间为像方孔径角u`。
 
2、视场
视场(Field of View,FOV)有4种表示方法。
(1)  视场角,又称角视场,无限共轭时通常用视场角表示。在光学设计中,通常用半视场角(Half Field of View,HFOV)ω,而实际应用或表述中,通常用全视场角2ω表示。
(2)  物高ObjectHeight),上图中为-y通常取物高为负使得像高y`为正。需要注意的是,物高在无限共轭时不适用。
(3)  近轴光像高(Paraxial Image Height),又称高斯像高(GaussianImage Height),即用理想光学算出的像高,可以用η`表示。
(4)  实际像高(Real Image Height),由y`表示。由于光学系统有像差,一般y`≠η`。在使用CCD、CMOS等矩形阵列探测器(像素探测器)用于探测记录像面的光强分布,此时y`或η`表示探测器对角线长度的一半。
 
3、孔径
孔径(Aperture)有6种表示方法。
(1)  孔径直径(Entrance Pupil Diameter),即上图中的D。
(2)  像空间数值孔径(Image Space NA`),NA`=n`sinu`。
(3)  物空间数值孔径(Object Space NA),NA=nsinu。
(4)  由光阑确定孔径(Float by Stop Size),光束孔径及截面形状由光阑的孔径大小及形状决定。
(5)  近轴工作F数(Paraxial Working F/#),在像方孔径角不大的情况下,近轴工作F数定义为

       在ZEMAX中,还有一个像空间F数(Image Space F/#),定义为

其是像空间F数为物距为无限时的F数。
当物距为无限时,Fw=F;当物距为有限时,Fw>F。
(6)  物方孔径角|u|,轴上物点发出的边缘光线来定义光束孔径,以物空间边缘光线的半角u。
 
4、归一化
在光学设计时,对视场和孔径都进行归一化处理,即以最大视场或最大孔径为1.例如,视场三细分时可以采用0、0.707和1,分别为0视场、0.707视场和1视场;视场六细分时采用0、0.3、0.5、0.707、0.85和1。
 


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