《工程光学》课件第5章.ppt

第5章光学系统中的光束限制

5.1光阑及其作用

5.2孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳

5.3视场光阑、入射窗和出射窗

5.4光学系统的景深

5.5远心光路

5.1光阑及其作用

1.孔径光阑

孔径光阑是限制轴上物点成像光束立体角的光阑。如果

在过光轴的平面上来考察，这种光阑决定轴上点发出的平面

光束的孔径角。孔径光阑有时也称为有效光阑。在任何光学

系统中，孔径光阑都是存在的。

孔径光阑的位置在有些光学系统中是有特定要求的。如

目视光学系统中的光阑或者光阑的像一定要在光学系统的外

边，以使眼睛的瞳孔可以与之重合，达到良好的观察效果；

又如在光学计量仪器中，为了实现精确的测量，光阑常被放

在物镜的焦平面上。除此之外，其它光学系统中的光阑位置

理论上是可以任意选择的，不过合理地选择光阑位置可以改

善轴外点的成像质量。因为对于轴外点发出的宽光束而言，

选择不同的光阑位置，就等于在该光束中选择不同部分的光

束参与成像，这样，在不改变轴上点光束的前提下，可选择

成像质量较好的光束参与成像，而把成像质量较差的光束拦

掉。

如图5-1所示，当光阑在位置1时，轴外点B以光束成像，

而光阑在位置2时，即以光束成像，这样可以把成像质量较

差的那部分光束拦掉。必须指出，光阑位置改变时，应相应

地改变其直径以保证轴上点的光束的孔径角不变。此外，合

理地选取光阑的位置，在保证成像质量的前提下，可以使整

个光学系统的横向尺寸减小，结构均匀对称。由上图可以看

出，光阑在位置2时所需的透镜孔径比在位置1时所需的孔径

要小。

作为目视观察用的光学系统，如放大镜、望远镜等，一

定要把眼睛的瞳孔作为整个系统的一个光阑来考虑。

图5－1光阑对光束的限制

2.视场光阑

视场光阑是限制物平面或物空间中最大成像范围的光阑。

视场光阑的位置是固定的，总是设在系统的实像平面或中间

实像面上。如照相机中的底片框就是视场光阑。若系统没有

这种实像平面，则不存在视场光阑。视场光阑的形状是根据

光学系统的用途来确定的。

3.渐晕光阑

渐晕光阑以减小轴外像差为目的，使物空间轴外发出的、

本来能通过上述两种光孔的成像光束只能部分通过。

如图5－2所示，透镜框Q1Q2作为孔径光阑，限制轴上点

A发出的光束，即点A以充满孔径光阑的光束成像。设在孔径

光阑之前有光阑M1M2，对轴上点光束没有任何限制，但对由

轴外点B发出的充满孔径光阑的光束有限制作用，如图上阴

影部分即是被光阑M1M2拦掉的部分光束。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

阑一般为透镜框。

图5－2渐晕光阑

4.消杂光光阑

消杂光光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制那

些从视场外射入系统的光。光学系统各折射面反射的光和仪

器内壁反射的光等，都称为杂光。杂光进入光学系统，将会

使像面产生明亮背景，使像的衬度降低，这是非常有害的。

利用消杂光光阑可以拦掉一部分杂光。一些重要的光学系统，

如天文望远镜、长焦距平行光管等，均装有消杂光光阑，这

种光阑在一个光学系统中可以有几个，如图5－3所示；而在

一般的光学系统中，常把镜管内壁加工成细螺纹，并涂以无

光黑漆来吸收杂光。

图5－3消杂光光阑

5.2孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳

光学零件是有一定的直径的，不可能让任意大的光束

通过，而实际光学系统总是对一定大小的光束成像，因此

必有一个光孔(可能是某一透镜框，也可能是专门设置的光

阑)限制着光束的大小。

孔径光阑通过它前面的光学系统所成的像称为入射光瞳，

简称入瞳；孔径光阑通过它后面的光学系统所成的像称为出

射光瞳，简称出瞳。显然，入射光瞳、孔径光阑、出射光瞳

三者是相互共轭的。对整个光学系统来说，出射光瞳也是入

射光瞳的像。图5－4表示了在由k个折射面组成的共轴球面

系统中，入射光瞳、出射光瞳和孔径光阑三者的共轭关系。

根据共轭原理，由轴上点A发出的光束首先被入射光瞳限制，

然后充满整个孔径光阑，最后从出射光瞳边缘出射，会聚到

像点A′。由轴外一物点发出，并通过孔径光阑中心的光线

称为主光线，显然，任意一条主光线，必定通过与孔径光阑

相共轭的入瞳和出瞳的中心。

图5－4孔径光阑

在实际光学系统中孔径光阑未知的情况下，寻找孔径光

阑的步骤为：首先将光学系统中所有的光孔，经其前面的光

学系统成像到整个系统的物空间；然后比较这些像的边缘对

轴上物点张角的大小，其中张角最小者，即为入射光瞳；与

入射光瞳共轭的实际光阑即为孔径光阑。用类似的方法，也

可将所有的光孔，经