光学系统中的光束限制 光束, 光学系统

江湖人

光学零件的通光口径决定了能通过该零件的光束直径或立体角的大小，故光学系统中光学零件的镜框就是限制光束的光孔。此外，为了某些特殊需要和限制成象范围，还需要在光学系统中设置一些被称为光阑的光孔。这些光孔在多数情况下是圆形的，并与整个系统同轴，有不同作用的如下几种光阑：
1、孔径光阑：限制成象光束立体角的光阑称为孔径光阑，它决定了轴上点成象光束中最边缘光线的倾斜角，称其为光束的孔径角。这种光阑在任何系统中都存在。
2、视场光阑：限制物平面或物空间能被系统成象的最大范围的光阑称为视场光阑，它决定了光学系统的视场。
3、渐晕光阑：光阑以减小轴外相差为目的，使物空间轴外点发出的、本来能通过上述两种光孔的成象光束只能部分通过，称渐晕光阑。
4、消杂光光阑：只对那些从视场外射入系统的光能和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的杂光起部分限制作用。杂散光如果通过系统，将在相面上产生一个杂光背景，危害象质。大型光学仪器，尤其是天文仪器中的望远镜系统和折反射系统等必须专门设置消杂光光阑。一般的光学仪器通常只将镜筒内壁车成螺纹，并涂以黑色无光漆或发黑来减少杂光的影响。
在光学系统中，视场光阑的位置是固定的，它总是设置在系统的实象平面或中间实象平面上。若系统没有这种实象平面，则不存在视场光阑，此时必须有渐晕光阑。当然有视场光阑时也可能有渐晕光阑。而孔径光阑的位置则随系统而不同，有些系统对其位置有特定的要求，如目视光学系统和远心光学系统等。除此之外，孔径光阑的位置是可选择的。不同的孔径光阑位置就等于从物点发出的宽光束中挑选不同部分的光束参与成象。故合理选择孔径光阑的位置有助于改善轴外点的成象质量，可阻拦偏离于理想成象要求较远的光束。此外，对于目视光学系统，必须将眼瞳也作为系统中的一个光孔来考虑。并且一般都假定系统对光阑是理想成像的。
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江湖人

光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳
  在一个光学系统的若干通光孔中，一定有一个光孔起着限制成象光束的作用。如图A所表示的系统，它由两个透镜组（为方便计，画成薄透镜）及其之间的一个专设光阑Q所组成，共有三个光孔Q1、Q和Q2。

江湖人

图中画出了自物体中心（即轴上点A）发出的与光轴成不同角度的三条光线，分别经过三个光孔的边缘，其中经Q边缘Q1点的光线与光轴的夹角最小，这表明，由A点发出的光束中，只有比此角小的光线才能通过系统参与成像。所以在这个系统中，光阑Q起着限制成像光束的作用，是系统的孔径光阑（以下简称孔阑）。
在图A中，我们画出了孔阑被其前面的镜组O1所成想的像P1PP2，同样也易于画出光孔O2被其前面的镜组所成的像。显然，在所有光孔被其前面的镜组在物空间所成的像中，孔径光阑的像P1PP2对轴上物点A的张角仍为最小。可见，只要找出所有光孔被其前面的镜组在物空间的像，并求出它们对轴上物点的张角就能作出判断。即，与对轴上物点A张角最小的那个像相对应的光孔就是孔阑。那个光孔像，即孔阑被其前面的镜组在物空间中所成的像称为光学系统的入射光瞳（以下简称入瞳）。在图A中，入瞳就是P1PP2。图B对同一系统画出了轴上点A和轴外点B的成像光束经过系统的情况，可以看出，入瞳决定了物点成像光束的最大孔径，并且是物面上各点成像光束的公共入口。同样，孔阑被其后面的镜组在系统成像空间中所成的像P`1 P`P`2 ，也是所有光孔在像空间的像中对轴上点的像A`张角最小的一个。这个像称为光学系统的出射光瞳。出瞳是物面上各点的成像光束自系统出射时的公共出口，并且是入瞳经整个系统所成的像。

江湖人

前面所述，孔阑位于系统之间，因而是与入瞳和出瞳各不重合的一般情况。当然，孔阑也常位于系统之前、系统之后，有时也与镜组重合。相应的，孔阑或与入瞳重合，或与出瞳重合，或与入瞳、出瞳皆重合。你能自己画出这三种情况下的光学系统图吗？
轴上物点发出的过入瞳边缘的光线与光轴的夹角u称为物方孔径角；由出瞳边缘射至轴上像点的光线与光轴的夹角u` 称为像方孔径角。过入瞳中心的光线称为主光线。由于共轭关系，主光线也通过孔阑和出瞳的中心。主光线是物面上各点成像光束的中心光线，它们构成了以入瞳中心为顶点的同心光束，这一光束的立体角决定了光学系统的成像范围。同时，过入瞳边缘的光线也必过孔阑的边缘和出瞳的边缘。
大大多数情况下，轴外点发出并充满入瞳的光束会受到远离孔阑的透镜的通光孔径的限制，被部分遮拦而不能全部通过系统，这种现象称为轴外光束的渐晕，我们将在下一节讨论。
必须指出，光学系统中的孔阑只是对一定的物体位置而言的。如果物体位置发生了变化，原来的孔阑将可能会失去限制光束的作用，成像光束被其他光孔所限制。这是因为光孔在物空间的像对轴上物点的张角与物体位置有关。如果一个光学系统对无穷远物体成像，则要看系统中的所有光孔被其前面的镜组在物空间所成的像中何者直径最小，这个像就是入瞳，它所共轭的光孔就是孔径光阑。
以上是对已有的光学系统就如何寻找出孔阑以及相关的问题进行分析和讨论。至于一个光学系统，孔阑究竟该如何设置，这是一个需要在设计阶段解决的问题。一般而言，孔阑的位置是根据是否有利于缩小系统外形尺寸、镜头结构设计、使用方便，尤其是是否有利于改善轴外点成像质量等因素来考虑决定的，它的大小（即通光孔半径）则由轴上点A所要求的孔径角u的边缘光线无阻拦的通过的原则，来确定系统中各个透镜和其他光学零件的通光直径。可见，孔阑位置不同，会引起轴外光束的变化和系统各透镜通光直径的变化，而对轴上点光束却无影响。因此，孔径光阑的意义，实质上是被轴外光束所决定的。

zfw0080

很好！谢谢

江湖人

我可是用手工做的，好累

zfw0080

难道还有自动化的方法！

江湖人

没有，我正想问你有没有更好的方法呢？

zfw0080

不过，网络上的资源很丰富，我们可以去收集一些，然后直接贴到这里，这样也许会快一些！

流浪汉

哦！光学系统的光束限制很有用的东东，苦了斑竹了。谢谢！

jiangyongs

苦了你了，谢谢