第5章 光学系统中的光阑

中心与光轴重合且垂直于光轴放置的通光孔屏 可能是带孔的金属片；也可能是透镜边框 一般为圆形，也可能为长方形，或直径可变 按要求在专门位置放置。
光阑在光学系统中的作用
决定像面的照度和系统分辨能力：孔径光阑 ( Aperture Diaphragm )，一定存在 (光圈) 决定系统的视场：视场光阑 ( Field Diaphragm )，一定 存在 (相机底片) 限制轴外点成像光束的口径；渐晕光阑 ( Vignetting Stop )：可能没有，也可能多个 拦截系统中有害的杂散光：消杂光光阑。
最简单情况：
L 光阑Q
A
·
-U
F
·
· F′
Q1
第1步：画出每一个光孔经过其前面的光路所成的物空间的像 第2步：画出轴上点到这些孔像边缘的光线 第3步：判断张角最小者所对应的光孔即为孔径光阑
孔径光阑
有多个透镜时：
首先应使所有的光孔处于同一空间
Q1 P1
L2’’
A
●
●
F -U L1 L2 Q2 P
2
孔径光阑的作用： 1. 决定轴上点成像光束的宽度； 2. 选择轴外点成像光束的位置
孔径光阑的确定
先求出系统中所有通光孔由在其之前（之后）光路形成的 物（或像）空间的共轭像的大小和位置； 分别作出从轴上物（或像）点到这些孔像边缘的连线； 判别其中张角最小者，即最能限制轴上物点（或像点）光 束大小者，与其相共轭的通光孔（实物）即为孔径光阑。
L
A
标准镜头: 焦距约等于感光面对角线长度（36×24mm,43mm，47°） 广角镜头：焦距小于标准镜头，视角大于标准镜头； 长焦镜头：焦距大于标准镜头，视角小于标准镜头。
视场光阑的确定
Q1
L1’
L2’
A
·
-
-U
· F
· F’
B 入射窗 入瞳
视场光阑随孔径光阑而定
孔 径 光 阑 （ 入 瞳 ） Q
视 场 光 阑
（ 入 射 窗 ） L
· 1 A ·A2 · A
-
F

A’
F’
视 场 光 阑
（ 入 射 窗
孔 径 光 阑
（ 入 瞳 ）
线视场：物方2y 和像方2y’
当物体在无穷远时，用物方视场角（像方视场角）表示 视场大小； 当物体在有限距离时，常用物高2y（像高2y‘）表示视 场大小，称为线视场。
光学 系统
入 瞳
出 瞳
讨论1：人眼系统中的孔径光阑 入瞳 出瞳
眼睛入瞳：瞳孔经过其前面的系统（角膜、前房）所成的像， 大致位于角膜顶点后3.05mm； 眼睛出瞳：瞳孔经其后面的系统（晶状体、玻璃体）所成的像， 大致位于角膜顶点后3.67mm
讨论2：物体位置改变
光学系统的孔径光阑只是对一定位置的物体而言的。如果物体位 置发生变化，原来的孔径光阑将会失去限制光束的作用。 这是因为光孔在物空间的像对轴上物点的张角与物体的位置有关。
1 A B C
2
1是孔径光阑 2是孔径光阑
结论：物体位置变了，孔阑可能改变
讨论3：光阑尺寸改变
孔径光阑
孔径光阑
讨论4：孔径光阑的设置原则
孔阑大小的决定因素：
要求的孔径角
孔阑位置的决定因素：
两个光学系统组合时，需遵守光瞳衔接原则：即前一 个系统的出瞳与后一个系统的入瞳重合； 在投影光学系统中：系统的出瞳或入瞳在无限远处， 即孔径光阑设置在投影物镜的焦面； 有利于轴外光束的像差校正，改善轴外点的成像质量 合理匹配光学系统各元件的口径。
A 20
(1）先求L2通过L1所成的像，可以将L2视作像，求物： 由f1' 100mm, l ' 20mm, 根据物像公式得l 25mm,
30
(3)求轴上物点对各光阑像的张角 D 20 tgu1 1 0.1 200 200 18.75 tgu2 0.0833 225 33.33 tgu3 0.0952 350 透镜2是孔径光阑
消杂光光阑
分划板
遮光罩：遮拦视场外的光线进入物镜； 内壁设置消杂光光阑
二、典型光学系统的光束限制
2.1 放大镜
单透镜低倍放大镜，要和眼瞳结合起来考虑光束限制问题；眼睛 为孔径光阑； 放大镜本身是视场光阑，限定了可见视场。
B1 B B2
A’
ห้องสมุดไป่ตู้
F
A
F’ 眼瞳（出瞳）
像面
物面
视场光阑
入瞳
2.2 照相系统中的光阑 普通照像系统是由三个主要部分组成：照相镜头、可 变光阑和感光底片。
1

13.33 33.33mm 0.4
二、视场光阑
视场光阑是限制物空间（或像空间）成像范围的光 阑。 光学系统中，常用主光线确定成像范围，可以设定 入瞳很小（无穷小） 视场光阑被其前面的光学零件在物空间所成的像， 称为入射窗（简称入窗）；它决定了该光学系统的 物方视场角，这是因为在物空间的所有其它光孔中 ，入窗是入瞳中心对其张角最小的一个。 视场光阑被其后面的光学零件在像空间所成的像， 称为出射窗（简称出窗）；它决定了该光学系统的 像方视场角’，这是因为在像空间的所有其它光孔 中，出窗是出瞳中心对其张角最小的一个。
A1
A2 L A
B1
B2 B
单镜头反光 SLR(Single Lens Reflex)
单反相机的优势： 图像传感器的优势 丰富的镜头选择 迅捷的响应速度 所见即所得
1：物镜，2：45度反光镜，3（4）：CCD； 5：毛玻璃；6、8：将毛玻璃上的像成像到 人眼；7：五角棱镜
数码相机的CCD尺寸
L
y
A
·
-y’
孔径光阑 入瞳 （出瞳）
·
A’
复习
孔径光阑：在光学系统中对成像光束大小起限制作用； 入瞳和出瞳：分别是孔径光阑在光学系统的物空间和像 空间所对应的像，分别在这两个空间对成像光束起限制 作用。 视场光阑：在光学系统中对成像范围起限制作用； 入射窗和出射窗：分别是视场光阑在光学系统的物空间 和像空间所对应的像，分别在这两个空间对成像范围起 限制作用。
1.4 消杂光光阑
杂散光：通过光学系统投射到像平面上不参与成像的有害光线； 来源： 物空间的非成像光线通过光学系统射向仪器镜筒的内壁，经反射射向像面； 成像光束在经过光学零件时，产生的多次反射和折射光； 光学零件缺陷引起的散射光； 危害：降低像面上的对比度，淹没细节，影响成像质量。
物镜
普通消费级数码相机（4：3）
1”=长12.8×宽9.6mm，对角线16mm ½”=对角线8mm 单反相机（与传统135胶片相同的3：2） 全画幅：36×24mm APS-C画幅面积为（23.7×15.6mm） 4/3英寸的画幅面积为(18×13.5mm)
相机拍摄范围和物镜焦距、底片尺寸有关： 焦距不变，底片尺寸越大，视角和摄影范围越大； 底片尺寸不变，焦距越短，视角和摄影范围越大；
A1 A2 L
B1
B2
B
A
照相机系统简图
照相镜头L将外面的景物成像在感光底片B上；可变光阑A是一个开口 A1A2大小可变的圆孔。随着A1A2 缩小或增大，参与成像的光束宽度 就减小或加大，从而达到调节光能量以适应外界不同的照明条件，即 为孔径光阑 成像范围则是由照像系统的感光底片框B1B2的大小确定的。超出底片 框的范围，光线被遮拦，底片就不能感光；相机的视场光阑一般为矩 形，以对角线来表示线视场。
入 瞳
-U
孔 （径 出光 瞳阑
）
孔径光阑位于透镜前
U'
出 瞳
孔 径 光 阑
（ 入 瞳 ）
无限远的物体
物方孔径角=0，光学系统的所有光孔被其前面的光学零件 在物空间所成的像中，直径最小的光孔像就是系统的入瞳。
孔 径 光 阑
入 瞳
孔阑、入瞳和出瞳之间的共轭关系
入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是出射光瞳。入 瞳与出瞳对整个光学系统是共轭的。
共轭关系的意义
主光线：－ 物点发出并通过入瞳中心的光线 根据共轭关系，主光线也必然通过孔径光阑和出瞳中心 (主光线是 各物点发出的成像光束的轴线) 通过入瞳边缘的光线必通过孔阑边缘，并过出瞳边缘。 入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口；出瞳是物面上各 点发出光束经整个光学系统以后从最后一个光孔出射的共同出口。
本章内容
光阑的分类和概念 孔径光阑 视场光阑 渐晕光阑 消杂光光阑 照相系统中的光束限制 光学系统的景深与焦深
光阑的定义
光阑：Diaphragm
A B
B’
A’
透镜的大小限制A点发出的成像光束的孔径角，像面的大小 限制成像范围，它们都是对光束的限制，称为光阑。
光阑：限制成像光束和成像范围的透光孔。
L1
物像 入射窗 视场光阑 共轭 物像
L2
出射窗
2. 视场光阑在透镜框
出 射 光 瞳 孔 径 光 阑
入 射 窗
M1
入 射 光 瞳
B’
A M
P’
-ω’
O1
Q
-ω O2
P
A’
M2
B C
视 场 光 阑
（ 出 射 窗 ）
如何确定视场光阑？
在确定了光学系统的孔径光阑后； 自入瞳（或出瞳）中心引向系统物（或像）空间中 所有其它通光孔的实物或像的边缘； 其中张角最小者即为入射窗（或出射窗），因它最 能限制物（或像）空间成像范围，与其相共轭的实 物光孔，即为视场光阑。
1 孔径光阑
定义一：限制进入光学系统成像光束口径的光孔 定义二：限制轴上点成像光束立体角（孔径角）的光孔； 故称为孔径光阑。 意义：决定通过光学系统光能量（即像平面照度）