应用光学小论文：孔径光阑和视场光阑

孔径光阑和视场光阑

物理与电子工程学院 08级光电1班黄静丽 081102030

一、内容摘要

光阑及其有关概念在几何光学中占有一定的地位, 对其进行研究有其现实意义和理论价值, 通过对孔径光阑、视场光阑的各自的概念、特点、判定方法以及两种光阑的比较, 进一步了解这两种光阑。

二、关键词

光学系统、孔径光阑、视场光阑

三、引言

由于光学系统对光束限制的要求多种多样，因此产生了许多不同种类、不同性质的光阑，按照光阑所起的作用不同，大体上可分为孔径光阑、视场光阑、渐晕光阑及消光光阑。一般的光学系统都会有一个孔径光阑和一个视场光阑。四、概念

（一）孔径光阑

在光学系统中，描述成像光束大小的参量为孔径，当物体在有限远时其孔径的大小用孔径角U表示，若物体在无限远时孔径的大小用孔径高度h来加以表示。我们称光学系统中限制轴上物电成像光束大小的光阑为孔径光阑，该光阑实际上限制的是成像光束立体角的大小。如果在子午面内（轴外点与光轴所构成的平面）进行分析，孔径光阑决定了轴上点发出的最大孔径角U的大小，例如，人眼的瞳孔就是孔径光阑。

（二）视场光阑

视场通常描述的是成像光学系统物、像平面上（或物、像空间中）成像范围。在光学系统中一般将安置在物平面或者像平面上用以限制成像范围的光阑成为

视场光阑，它可能是光学系统中的某个或者某组透镜边框，也可能是专设的光孔。例如，测量显微镜的分划板、照相机的底片边框都起到视场光阑的作用，其形状多为圆形、矩形或方形。

五、特点

（一）孔径光阑

1、孔径光阑的位置不同，但都起到了对轴上物点成像光束宽度的限制作用；只需相应的改变光阑大小，即可保证轴上物点成像光束的孔径角不变。

2、孔径光阑的位置不同，则对应于选择轴外物点发出光束的不同部分参与成像。

3.入射光瞳与出射光瞳(Entrance and Exit pupils)

孔径光阑可能位于系统前面，也可能位于后面，还可能位于中间。为方便讨论系统物像方光束限制的具体情况，我们定义：

●入射光瞳：孔径光阑经其前面光学系统所成的像，主要限制系统物方空间中

物点发出光束的孔径角。简称入瞳。

●出射光瞳：孔径光阑经其后面光学系统所成的像，主要限制系统像方空间中

到达像点的光束的孔径角。简称出瞳。

1）入瞳：决定光学系统的物方光束的孔径角。

2）出瞳：决定光学系统的像方光束的孔径角。

3）孔径光阑：实际对光束限制起作用的元件，决定了入瞳、出瞳；三者互为物像关系。

（二）视场光阑

1、入射窗和出射窗

光学系统的视场光阑确定后引入如下概念：

●入射窗：视场光阑经其前面光学系统所成的像（物空间）

●出射窗：视场光阑经其后面光学系统所成的像（像空间）

1）入窗限制物空间的可成像范围

2）出窗限制像空间的成像范围

3）入窗和出窗共轭。

2、图4.1.l 为一天塞照相物镜，接收器为照相底片，135 胶片的标准尺寸为36 mm×24 mm。很显然，限制画幅的片框就是该系统的视场光阑，因为它限制了成像的范围，因此它是视场光阑。这时像面的最大高度为画幅的对角线之半，即21.6 mm。由于胶片处在物镜的最后，因此它不但是视场光阑，又是出射窗。而入射窗通常在物方无限远处。

3、物方视场和像方视场

●物方视场角：在物空间中，入窗边缘对入瞳中心的张角2ω。

●像方视场角：在像空间中，出窗边缘对出瞳中心的张角2ω’。

物方视场角是从入射光瞳中心对入射窗所张的角度，像方视场角是从出射光瞳中心对出射窗所张的角度，物空间的角视场常常不等于像空间的角视场。只有对于处在空气中的非望远系统，物方现场角和像方视场角才是相等的。

六、判定

（一）孔径光阑

(1) 轴上物点的位置发生变化，孔径光阑也会变化。

(2)几个口径一定的透镜组合，判断确定位置的轴上物点的孔径光阑：

★物在无限远：光学系统中所有光学元件的通光孔径分别通过其前面的镜组成像到整个系统的物空间，则直径最小的像就是系统入瞳，与入瞳相共轭的元件即为孔径光阑。

★物在有限远处：

a. 将光学系统所有光阑（各个透镜和光圈等），对其前面的光学系统（物空间）成像，求像之大小和位置；

b. 由物位置（轴上点）向各像边缘、第一个透镜边缘分别作连线，求张角最小值即为入瞳，相应的共轭物为孔径光阑；

c. 孔径光阑对后面光学系统（像空间）所成像即是出瞳。

（二）视场光阑

假设入瞳为无限小，则判断光学系统的视场光阑的方法为，将光学系统中所有的光学元件的通光孔径（镜框）分别通过其前面的镜组成像到整个系统的物空间，根据各像的位置和大小求出对入瞳中心的张角，张角最小的像即为光学系统的入射窗，与入射窗相共轭的元件（或镜框）即为视场光阑。

七、两种光阑作用的比较

1、孔径光阑限制成像光束的孔径，即决定成像的照度、分辨率；

2、视场光阑决定市场，及物体成像的范围；

3、孔径光阑缩小时，每一物点成像光束孔径角变小，像面照度减小，但成像范围不变；

4、视场光阑缩小时，成像范围变小，但成像物点的孔径角变小，及像的照度不变。