第五章光学系统中的光阑解析

金属表面及镜座内壁的反射和散射所产生）
B’ A B 孔径光阑 渐晕 光阑 消杂光 光阑 视场光阑 A’
位置：位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有
§ 5－2 孔径光阑
1. 作用：在光学系统中实际限制轴上物点成像光束的孔径角U。 2.孔径光阑的确定
所有光孔投射到第一光孔的物空间，对轴上物点A张角最小的光孔“像” 所共轭的光孔为孔径光阑，该光孔“像”称入射光瞳，这个张角称物方孔径角 2U。 所有光孔投射到最后一个光孔的像空间，对轴上像点A’张角最小的光孔“像” 所共轭的光孔为孔径光阑，该光孔“像”称出射光瞳，这个张角称像方孔径角 2U’。 物点在有限远时，各光孔像中，对轴上物点张角最小者，限制了轴 上点光束的孔径角，即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。 物点在无限远时，各光孔像中，直径最小者即为入瞳。入瞳对应的 实际光孔即为孔径光阑。
4.说明：
1）物体位置改变，原孔阑可能失去控制轴上点孔径角的作用，要重复 上述三个步骤确定孔阑。 2）一般来说，入瞳在物空间，孔阑在系统中，出瞳在像空间； 但有时 光学系统第一个光孔为孔阑，入瞳与孔阑重合；
光学系统最后一个光孔为孔阑，出瞳与孔阑重合；
3）入瞳为孔阑经过前面光组在物空间的像，决定了系统轴上物点的物方孔径角。 出瞳为孔阑经过后面光组在像空间的像，决定了系统轴上像点的像方孔径角。 4）对于理想光学系统，轴上和 轴外物点的主光线都过入瞳、孔 阑、出瞳中心。 主光线：通过入射光瞳中心的光 线称为主光线。 主光线是物面上发出的充满光学 系统入射光瞳的成像光束的轴线。
§ 5－1 光阑及其作用
在设计光学系统时，应按其用途、要求，在成象范围内的各点以一 定立体角的光束通过光学系统成象。这就是一个如何合理地限制光束的 问题。 定义：限制光束通过光学系统的光孔。 组成：透镜等光学零件边框或专门设置的带孔金属框。
B’ A B 孔径光阑 渐晕 光阑
●
A’
消杂光 光阑
视场光阑
5）在保证轴上点物方孔径角不变的情况 下，合理的选取孔径光阑的位置，可提 高成像质量，减小整个系统的横向尺寸。
l3 ' 60 D3 ' D3 10* 30 l3 20
两正薄透镜组L1和L2的焦距分别为100mm和50mm，通光口 径分别为60mm和30mm，两透镜之间的间隔为50mm，在透 镜L2之前30mm处放置直径为40mm的光阑，问
1）当物体在无穷远处时，孔径光阑为哪个？
2）当物体在L1前方300mm处时，孔径光阑为哪个？
D2 D2 '
l2 90 l2 '
L3
l3 ' 30
l3
l l3 ' f ' 30* 9 45 D3 D3 ' 3 15 f 'l3 ' 9 3 l3 '
L3
tan u2
15 / 2 1 / 22 120 45
出瞳
l3 20
l3 '
l3 f 2 ' 20* 30 60 l3 f 2 ' 20 30
L1
L3 L2
L1
L3’ L3
L2’ L2
孔栏到入瞳 L1 L2
出瞳
入瞳
l1 ' 0
D1 ' D1 60
tan u1
60 / 2 1/ 4 120
tan u2 9/2 3 / 14 12 9
l2 ' 50 l2
l2 ' f ' 50* 90 450 f 'l2 ' 90 50 4
c）利用解析法求解像的位置和大小。
2）物点在有限远时，各光孔像中，对轴上物点张角最小者，限制了轴 上点光束的孔径角，即为入瞳。入瞳对应的实际光孔即为孔径光阑。 3）物点在无限远时，各光孔像中，直径最小者即为入瞳。入瞳对应的 实际光孔即为孔径光阑。
例：有两个薄透镜L1和L2 ，焦距分别为90mm和30mm，孔 径分别为60mm和40mm，相隔50mm，在两透镜之间， 离L2为20mm处放置一直径为10mm的圆光阑，试对L1前 120mm处的轴上物点求孔阑、入瞳、出瞳的位置和大小。
3.确定孔径光阑的方法：
原则：将光学系统中所有的光学零件的通光孔（镜框）分别通 过其前面的光学零件成像到整个系统的物空间去，入射光瞳必然是 其中对物面中心张角最小的一个。
1）将所有光学元件的通光孔径经前方光组成像到物空间，并求出各个 光孔在物空间像的大小和位置。 a）规定光传播方向从右向左，以光孔为物，与物点发出的光线反向。 b）所有孔或框为实物。
B’
A
B
A’
光学系统要求孔阑或孔阑的像一定要在外面，以与 眼瞳重合；远心光学系统要求孔阑在焦面上。其他无特殊要求的可以选择。
●
视场光阑：限制物面或像面上的物体成像范围。
位置：一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有
A
B’
B
A’ 视场光阑
在照相机中：
孔径光阑—可变光阑 视场光阑---底片框
第五章 光学系统中的光阑
理想光学系统不仅可以实现点对点成像，而且可以对任意 物以任意宽的光束给出某一定倍率的像。当共轭距一定时，物 的大小与像的大小成比例。 但实际光学系统的成像光束将会受到限制。透镜的大小和 像面的大小有限，从而限制了成像光束的宽度和成像范围。
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。
●
由于轴外点斜光束宽度比轴上点光束宽度小，使像 渐晕光阑： 平面边缘比中心暗的现象称为“渐晕”。
渐晕光阑限制物空间轴外点发出的、本来能通过上述两种光孔的成 像光束。
B’ A B
A’
渐晕 光阑
位置：位置可选择，以改善成 像质量，与视场光阑二者必有 其一。
●
消杂光光阑：限制杂散光（从视场外射入系统，或由镜头内部的光学表面、
孔径光阑：限制轴上点成像光束的孔径角，决定像面的照度 ● 视场光阑：限制物面或像面上的物体成像范围。 ● 渐晕光阑：限制物空间轴外点发出的、本来能通过上述两种光孔的成像光束。 ● 消杂光光阑：限制杂散光（从视场外射入系统，或由镜头内部的光学表面、金 属表面及镜座内壁的反射和散射所产生）
●
孔径光阑：限制轴上点成像光束的孔径角，决定像面的照度。（有效光阑）