本章要点
1. 光阑的概念
2. 孔径光阑及其判断
3. 入瞳、出瞳的概念及其与孔径光阑的共轭关系
4. 入、出瞳在光学系统中的作用
6. 视场光阑概念、位置、入射窗、出射窗
7. 视场光阑在光学系统中的作用
8. 拦光及渐晕光阑
9. 渐晕系数
10. 对准
平面、景像平面、远景平面、近景平面、远景深、近景深、景深
11. 景深与焦距、相对孔径、对准距离的关系
12. 物（像）方远心光学系统
引言
前几章主要讨论理想光学系统
的特性。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。 |
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§ 5-1 概述
• 光阑的概念 返回本章要点
光阑：起限制成像光束作用的透光孔。
孔径光阑 | 限制轴上点成像光束中边缘光线的最大倾角（孔径角） |
视场光阑 | 限制物平面或物空间能被系统成像的最大范围（视场） |
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） |
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• 光阑的位置
孔径光阑 | 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。 |
视场光阑 | 一般是在实像面或中间实像面上，也可以没有 |
渐晕光阑 | 纺织机轴承位置可选择，以改善成像质量，与视场光阑二者必有其一 |
闪光棒消杂光光阑 | 位置可选择，以达到限制杂散光的目的，也可以没有 |
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§ 5-2 光学系统的孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳
• 孔径光阑 返回本章要点
一个光学系统有若干个透光孔，其中哪一个是孔径光阑？是最前面的一个吗？是最小的一个吗？请看动画：
何为孔阑要依当时的条件而定。物体位置变了，孔阑可能会变。
当物体位置一定时，有一个光孔最限制成像光束的宽（角）度——孔阑
要到孔阑，首先应使所有的光孔处于同一空间。请看孔阑的过程：
• 入射光瞳和出射光瞳 返回本章要点
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’。
入瞳直径与焦距之比称为相对孔径。
通过入瞳中心的光线必通过孔阑中心，并过出瞳中心。
通过入瞳边缘的光线必通过孔阑边缘，并过出瞳边缘。
孔阑、入瞳和出瞳之间的共轭关系可用下图表示：
入瞳和出瞳的作用： 返回本章要点
入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口；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。
物点和入瞳中心的连线称为主光线，主光线也通过孔阑和出瞳的中心。
入瞳中心是所有主光线的交点。
§ 5-3 光学系统中的视场光阑和渐晕光阑
• 视场光阑、入射窗、出射窗： 返回本章要点
在光学系统中，起限制成像范围作用的光孔称为视场光阑(以下简称视阑)。显然，如果有接收面，则接收面的大小直接决定了物面上有多大的范围能被成像。因此，在成实像或有中间实像的系统中必有位于此实像平面上的视阑，此时有清晰的视场边界。视阑被其前面的镜组成在系统物空间的像称为入射窗，被其后面的镜组成在系统像空间的像称为出射窗。
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摄影系统：像面的大小决定视场角2W的大小 | 望远镜：中间实像面上分划板的大小决定视场角2W的大小 |
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• 渐晕光阑 返回本章要点
轴外物点发出并充满入瞳的光束不一定能全部通过系统，还可能受到远离孔阑的光孔的阻
拦，这就是拦光。请观察，当视场逐渐增大时，轴外点发出充满孔阑的光束被前后两个透镜所拦，其中上光线被第2个透镜拦，下光线被第1个透镜拦。轴外点的实际成像光束孔径要比轴上点小。
由轴外发出的充满入瞳的光被部分遮拦的现象叫渐晕。引起渐晕的光阑称渐晕光阑。
光孔离孔阑越远越易引起渐晕。一个系统可以有0到2个渐晕光阑。
上图中，B1的成像光束不被拦，B2的成像光束主光线以下被拦，B3发出的光线只有一条通过，B3以下不能成像。
对应于物面上，以AB1为半径的区域无渐晕，以B1Bfsad2绕光轴一周的环形区域有渐晕,以B2B3绕光轴一周的环形区域渐晕更严重。
通常用渐晕系数表示渐晕严重的程度： 返回本章要点
面渐晕系数=轴外点光束在入瞳上的截面积／入瞳面积
线渐晕系数=轴外点光束在入瞳上的高度／入瞳直径
想一想：①是否所有光学系统都要无渐晕？②渐晕光阑是否只有一个？
关于问题①：
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。
关于问题②：
单向拦光相当于孔阑位于光学系统之外。但孔阑在光学系统内部时，可能有两个渐晕光阑，一个拦上光线，另一个拦下光线。特别是全对称系统，必有两个渐晕光阑。
§ 5-4 光学系统的景深 返回本章要点
想一想：为什么看许多照片时感觉远近都清楚？
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。
如图，当Z1’和Z2’小到可以看成一点时，我们认为从B1到B2的空间深度范围内的物，都能在像平面上得到清晰像。这个空间深度叫景深。 | |
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由 | 得 |
考虑到对Z1’和Z2’的要求相同， | 又 |
当物很远时，， | 得 |
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可见，焦距短景深大，对准平面远景深大，入瞳直径小则景深大，且远景深大于近景深。
想一想：①是否对准平面越远景深越大？②以上公式是否各种系统都适用？③摄影时怎样控制景深？
关于问题①
设焦距50mm，入瞳直径12.5mm，要求弥散斑Z'<=0.05
当时， | 此时 |
当时， | 有 |
第二种情况景深更大。所以要景深大，应使远景平面在无穷远。 |
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关于问题②
仅前两组公式是普适的，后面的公仅适用于摄影系统。
关于问题③ 返回本章要点
镜头的光圈数是相对孔径的倒数。
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要拍摄小景深的照片，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。 | 要拍摄大景深的照片，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。 |
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§ 3-5 远心光学系统 镀锌钢管连接方式返回本章要点
• 问题的提出
通过光学系统对AB成像测AB的长度，精确调焦可以精确测量。但如调焦不准，像面与分划板不重合，产生视差。
| 调焦不准，如调焦于A1B1，在分划板上得弥散斑。量得的长度h比AB略长。反之若调焦于AB前，测得的长度略短。 |
| 将孔径光阑放在像方焦面，物方主光线平行于光轴，调焦不准时只是看起来模糊些，弥散斑的中心不变，量得h准确。 |
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孔阑设于焦平面上的光学系统称远心光学系统。
孔阑设于像方焦面，物方主光线平行于光轴，称物方远心光学系统。
孔阑设于物方焦面，像方主光线平行于光轴，称像方远心光学系统。
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有分合棱镜的液晶投影光学系统：远心光路，棱镜已展开为平板 | 大孔径短工作距离液晶投影系统 |
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