孔径光阑

实验三 孔径光阑、视场光阑和景深实验
此为一个设计性实验。

引言
孔径光阑、视场光阑和景深是几何光学中很重要的概念，也是光学设计，光学装调必须考虑的问题，它们关系到光学系统像面的照度，成像范围，系统的像差，分辨率和成像质量等。

同时，这些概念又是几何光学学习的难点。

因此，安排此实验是很有必要的。

一、实验目的
1、深入理解孔径光阑（入、出瞳），视场光阑（入、出窗）及景深的概念
2、学会确定孔径光阑，视场光阑及测量景深的方法
二、实验原理
理想光学系统可以对任意大的物体范围以任意宽的光束进行完善成像，实际光学系统不可能为无限大，进入系统的光线将受到光学元件有限的通光口径的限制。

任何一个光学系统对光束都包含两个基本限制：对入射的光束大小的限制和对成像范围的限制。

如照相系统中常采用的光圈（F）这一术语，指的就是对光束的一种限制，改变光圈的大小可以控制进入系统的光能，配合速度来满足接收器所需的曝光量。

又如，照相机中的接收器的边界框（如135胶片，1/3〞CCD等）也是对光束的一种限制，聚焦在胶片框或CCD靶面外的像点将不能获得图像。

光束的限制不仅决定了光学系统的光束宽度和像的大小，而且还决定了光学系统对物体细节的分辨力和系统的景深，同时对系统的像差也有很大影响。

2.1光阑的分类
在光学系统中，对光束起限制作用的光学元件称为光阑。

它们可能出自某一透镜的边框，也可能是专门设计的任一形状的光孔器件。

根据各种光阑限制光束的目的，它们大体分为几种：
1 孔径光阑
光学系统中用于限制轴上点成像光束大小的光阑称为孔径光阑，如照相机中的可调光圈就是该系统的孔径光阑。

孔径光阑的大小决定成像面上的照度。

在光学系统中，描述成像光束大小的参量称为孔径，系统对近距离物体成像时，其孔径大小用孔径角U表示，对无限远物体成像时，孔径大小用孔径高度h表示。

2 视场光阑
光学系统中用于限制成像范围大小的光阑称为视场光阑，如照相机中的底片框就是系统的视场光阑。

光学系统中描述成像范围大小的参量称为视场，系统对近距离物体成像时，视场的大小一般用物体的高度y表示，对远距离物体成像时，视场大小用视场角表示。

3 渐晕光阑
为了改善轴外点的成像质量或减小部分光学元件的横向尺寸，对轴外点的成像光束刻意产生部分限制作用的光阑叫渐晕光阑。

4 消杂光光阑
消杂光光阑用来限制一些非成像光线，如镜头表面、金属表面以及镜筒内壁反射或散射所产生的杂散光，它们通过系统后将在像面上产生杂光背景，破坏像的对比度和清晰度。

尽管有上述多种目的的光束限制，但孔径光阑和视场光阑是必不可少的。

2.2孔径光阑的确定方法、入瞳和出瞳
图1 孔径光阑的确定方法
孔径光阑的确定原则为:将系统中各光阑分别经其前面的光学元件成像于系统的物空间,其中对轴上点张角最小的那个像所对应的光阑即为孔径光阑。

要说明的两点: (1)光学系统孔径光阑与系统和物平面位置有关。

(2)当物(像)位于无穷远时，在物(像)空间比较张角变为比较光阑的像的大小。

孔径光阑通过其前面光学系统所成的像称为入瞳，它决定进入系统光束的大小，入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口；
孔径光阑通过它后面光学系统所成的像称为出瞳，决定从系统出射光束的大小，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。

注意：入瞳、孔径光阑、出瞳三者相互共轭
2.3、视场光阑、入窗和出窗
视场光阑一般位于像面或物面上，有时也设置在系统成像过程中的某个中间实像面上，这样物或像的大小直接受视场光阑口径的限制，口径以外的部分将被阻挡而不能成像，系统成像的范围有着非常清晰的边界。

如：显微系统中的分划板就是视场光阑，照相系统中的底片也是视场光阑。

视场光阑经前面的光组在物空间所成的像称为入射窗；视场光阑经后面的光组在像空间所成的像称为出射窗； 入射窗与物面重合，出射窗与像面重合。

出射窗是入射窗经整个系统所成的像。

当视场光阑与物面或像面都不重合时，造成轴上点和轴外点成像光束大小不同的现象称为渐晕，因此使得轴外物点的成像光线因逐渐减弱而显现出没有清晰的视场边界。

2.4光学系统的景深
理论上，只有共轭的物平面才能在像平面上成清晰像，其他物点所成的像均为弥散斑。

但当此斑对眼睛的张角小于眼睛的最小分辨角1’时，人眼看起来仍为一点。

此时，该弥散斑可认为是空间点在平面上的像。

远景指在景象平面上能够成“清晰”像的最远的平面；近景指在景象平面上能够成“清晰”像的最近的平面。

远景深度为远景到对准面的距离;近景深度为近景到对准面的距离。

景深为远景和近景之间的距离。

图2 光学系统的景深
'''2112pZ af Z p p p -=-=∆
'''2222pZ af Z p p p +=-=∆
2
'22'2'
2'2144Z p f a Z p af -=∆+∆=∆式中，a 为入瞳半径，f ’为系统焦距。

当景象平面上的弥散斑大小Z’规定后，景深与系统的入瞳直径，焦距和对准平面的距
离有关。

焦距越小，入瞳直径越小，景深越大；拍摄距离越远，景深越大。

远景深度大于近景深度，它们并非对称于对准平面。

三、实验内容
1.对各种光学元器件进行等高同轴调节。

2.设计光路确定孔径光阑位置。

3.确定视场光阑位置。

4.改变视场光阑大小，观测成像范围的变化。

5.改变孔径光阑大小，观测成像面上的照度变化。

6.测量景深。

四、实验提示
1.孔径光阑只对一定物体的位置而言，如果改变物体的位置，系统孔径光阑的位置也会
变化。

此外，孔径光阑只对轴上点而言，对轴外点将形成渐晕现象即光线将被其它光学元件部分地阻挡。

2.景深的大小与对准物平面的位置，入瞳大小及物镜焦距等参数有关。

五、注意事项
1.绝对不能用眼睛直视未经扩束的激光束，以免造成视网膜永久性损伤。

2.激光器激励电源电压达数千伏，实验是时千万别触摸与其输出线相连通的或与输出电
压耦合的任何金属部分，以免触电。

六、预习要求
根据实验内容，查阅郁道银等主编．工程光学．北京：机械工业出版社，2000，李晓彤，岑兆丰编‘几何光学 像差 光学设计’，浙江大学出版社出版，2003，等文献资料，熟悉孔径光阑，视场光阑及景深的感念，理解孔径光阑，视场光阑及景深的测量方法。

七、思考题
1.孔径光阑设在什么位置上时，可使物镜尺寸最小？
2.当采用较大透明图片作物时，系统可能出现渐晕现象，试问怎样才能使渐晕现象
减到最小？
3.如何观测光阑的虚像位置和大小？
4.如何减小景深测量的误差？。