第五章 光学系统中的光阑

二、其他透镜框产生的渐晕
当光学系统中透镜较多，且孔径都不大时，虽然视场光阑不起 拦光作用，但其它透镜框仍可能拦光而造成渐晕。 *****是否所有光学系统都要无渐晕？
当孔径和视场都较大时，无渐晕既无必要也不可能。因为远离 孔阑的透镜直径不能做得太大，且适当拦掉偏离理想成像状态较远的 即像差较大的轴外光束有利于改善像质。
3）入瞳无限小时，视场范围由入窗边缘和入瞳中心连线决定；当物体 在无限远时，视场必须设置在像平面（后焦面）上。
4）若视阑为长方形或正方形，其线视场按对角线计算。
5）入射窗、出射窗、视阑之间的相互共轭关系。
§ 5－4 渐晕光阑
轴外光束被拦截的现象称为“渐晕”，产生渐晕的光阑称为 “渐晕光阑”。渐晕光阑多是透镜框。

60
D3 '
D3
l3 ' l3
10 *
60 20

30
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？
L1
B’
L2
A u
Q P’
A’ P
B
1）首先用寻找入瞳、孔阑的方法寻找到入瞳、孔阑。
3.确定视场光阑的方法：
L2’ 入射窗
孔径光阑
入射光瞳
L1
B’
L2
A
P’
Qω
P
A’
（视
B
出场
射光
C
窗阑 ）
2）将所有除孔阑外的光孔经其前方光组成像到物空间，求出每个光孔 像的位置和大小。
3）各光孔像中，对入瞳中心张角最小者，像本身为入射窗，像对应的 实际光孔即为视阑。视阑经过后方光组成在像空间的像即为出射窗。
B’ A
A’ B
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、
金属表面及镜座内壁的反射和散射所产生）
B’
A A’
B
孔径光阑
消杂光 渐晕 光阑 光阑
视场光阑
位置：位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有
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。
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。 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。
渐晕光阑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、金 属表面及镜座内壁的反射和散射所产生）
● 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）
B’
A A’
B
孔径光阑
消杂光 渐晕 光阑 光阑
视场光阑
视场光阑通过前面光组在光学系统的物空间所成的像称为入射窗。 视场光阑通过后面光组在光学系统的像空间所成的像称为出射窗。
1.作用：限制物、像面上的成像范围。
2.视场表示方法：
长度度量：
物方线视场2y 像方线视场2y′
角度度量：
物方视场角2ω 像方线视场2ω′
3.确定视场光阑的方法：
L2‘
孔径光阑
入射光瞳
2.以入瞳中心为透视中心，将空间物点沿主光线方向向对准平面上 投影，投影点在景象面上的共轭点即为空间点的平面像。
3.对准面和景象面上的点不算真正意义上的几何点而为斑点。
AB—对准平面
B
B1
B01
a
b
A
B02
B03
B3
B2
B4
B04
A’B’—景像平面
入瞳 出瞳
P P’
B4”
B4’
B2”
B3”
B3’ B2’
● 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）
B’
A
A’
B 孔径光阑ຫໍສະໝຸດ A(∞)BC位置：随系统而异，目视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。
l3

l3' f ' 30 *9 f 'l3 ' 9 3
45
D3

D3 '
l3 l3 '
15
tan u2

9/2 12 9

3 / 14
tan u2

15/ 2 120 45
1/
22
出瞳
L3
l3 20
l3 '
l3 f2 ' l3 f2 '

20 *30 20 30
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）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。
6）入瞳、孔阑、出瞳之间的相互共轭关系。
位置：位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有
§ 5－5 光学系统的景深
拍摄小景深的照片
如特定镜头，应选择长焦距、 大的相对孔径即小的光圈数， 对准距离近。
拍摄大景深的照片
如远景镜头，应选择短焦距、 小的相对孔径即大的光圈数， 对准距离远。
一、光学系统的空间像
1.对准面为景象面在物空间的共轭面。
L1
L3
L2
L1 L3’ L3
L2
L2’
孔栏到入瞳 L1
l1' 0
出瞳
入瞳
D1' D1 60
tan
u1

60 / 2 120

1/
4
L2
l2 ' 50
l2
l2 ' f ' 50 *90 450 f 'l2 ' 90 50 4
D2

D2 '
l2 l2 '

90
L3 l3 ' 30
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。
A’
a’
B1”
B1’
b’
B’
如果入瞳位置对于物 方空间点（即景物） 位置发生变化，则景 象也随之变化
投影中心作前后移动 时，投影像的变化和 景物是不成比例的， 也称为透视失真。
对
准 平
S1
面
A S2
A
入出 射射 光光 瞳瞳
P
P’ P
景 像 平 面
A’
A’
景象畸变
二、景深性质及计算
入射窗
出射光瞳 孔径光阑
入射光瞳
L1
B’
L2
A
ω’
A’
ω
P’
Q
P
（视
B
出场
射光
C
窗阑 ）
物方视场角2ω
通过入射光瞳中心的光线称为主光线,
像方线视场2ω′
主光线同时通过入瞳、孔阑、出瞳中心
说明
1）孔阑位置变化，入瞳、出瞳位置也变化，原视阑可能失去限制物象 方视场范围的作用，要重新确定视阑。
2）入窗限制物方物面上的成像范围，视场光阑是实际光学系统中限制 物面成像范围的实际光孔，出窗限制像方像面范围。
3）轴外点从某一视场范围开始，通过光学系统的成像光束要比轴 上光束少，并逐渐递减，直至光照度为零。
4.消除渐晕的条件：（必要条件）
B1 B3

2
q
q
p
由上式可知，欲使渐晕区B1B3为
零，需使p=q，即入射窗和物平面重
合，出射窗和象平面重合。
***入瞳为无限小时。
在有的光学系统中，不存在实像平面，视场光阑无法与像 平面重合，这种系统的视场边缘存在一个由亮到暗的过渡区域， 没有清晰的视场边界。