实际光学系统中的光阑及其作用

    7.1　实际光学系统中的光阑及其作用

    前述研究的实际光学系统近轴光学与理想光学系统的成像理论，着重研究的是理想系统共轭物像的位置和大小关系，并未考虑实际可能的成像光束大小和成像范围大小。也就是认为，理想光学系统可以对任意大的空间范围、其中每个物点发出任意大孔径角的光束，均能成完善像。

    然而，实际光学系统各元件的口径都是有一定大小的，这一结构特性决定了它们只能允许某些物点发出的一部分光能量通过；另外，实际光学系统只能对物空间的一定区域成比较满意的像，而且该区域内每点的成像光束必须限制在一定的立体角内。广义地说，光学系统中所有对成像光束起到限制作用的光学元件的边框，以及一些特设的、其中心位于光轴上的开孔屏，统称为“光阑”。光阑的通光孔一般大多为圆形，光阑平面垂直于光轴。

    实际光学系统中通过设置光阑对光束加以限制，它对光学系统的几何和物理性质将产生重大影响。表现为：

    ①影响能通过光学系统出射的光束结构，从而影响光学系统（不考虑衍射效应）的几何像差。即利用光阑限掉偏离理想光路严重的那一部分光束，以改善成像质量。

    ②也将影响由于光的波动性所决定的衍射性质，这种衍射性质即使在没有像差时也将使点的像发生畸变。

    ③由于光阑决定光束截面，因而决定了能通过光学系统的光能量，也就决定了光学系统在屏、底片或眼网膜上所产生的照度。

    ④还将影响与入射光束孔径有关的成像空间深度以及分辨本领。

    实际光学系统中的光阑，按其作用可以区分为如下三种：

    ⑤限制成像光束孔径的光阑称为“孔径光阑”或“有效光阑”。

    ⑥限制成像空间范围的光阑称为“视场光阑”，它决定了系统的视场。

    ⑦用于限制来自非成像物体杂光（例如光学系统各折射面的反射光、仪器内壁的反射光……）的光阑称为“消杂光光阑”。由于杂光进入光学系统到达像面，将会使像面产生亮背景，降低像的衬度，对像质十分有害。在一般光学仪器中，可利用镜管内壁车螺纹、涂黑色无光漆活性炭等措施消杂光；对某些重要光学系统（如天文望远镜，长焦距平行光管等）需专门设计消杂光光阑。应明确的是，消杂光光阑并不限制成像光束。

    上述三种光阑中，以孔径光阑和视场光阑最为重要，是本章研究的主要对象。

    应该指出，对目视光学仪器，由于眼睛和光学系统配合使用，眼瞳的位置和大小也对光束的限制产生影响。为此，必须将眼瞳也作为整个系统中的一个光阑来考虑。

    由于光阑的位置和大小决定了成像光束的位置和大小，因此，当给定一个光学系统的光阑位置和大小时，我们可以分析其对成像光束的限制情况；反之，当给定选择成像光束的要求后，亦可确定光阑的位置、大小以及系统中各光学零件的径向尺寸。因此，系统光束限制的情况，将直接影响光学仪器的外形尺寸和各光学零件的尺寸与重量。对于外形尺寸及重量要求严格的军用光学仪器来说，光束限制更是一个十分重要的问题。

    实际光学系统中光束限制的情况可能是比较复杂的，但为便于理解，仍采用对光束限制的传统分析方法：首先分析孔径光阑，进而分析视场光阑与渐晕现象。在实际光学系统中，常有多个光学元件的边框和开孔屏，而且它们常处于不同的成像空间中，不能直接进行比较。那么，如何从中确定哪一个是孔径光阑、哪一个是视场光阑呢?应采用的基本方法是，将所有的边框和开孔屏当作物，利用近轴光学公式，将它们全部成像（转化）到同一空间（通常是将它们全部成像到物空间或像空间）。在同一空间中，由于消除了折射，光线按直线传播，因此可以直接进行比较，判明光束限制情况。这种利用物像共轭近轴公式的转化方法，虽然不够精确，但对判断光束限制情况已经足够。

    还应指出，在以下讨论光束限制问题时，均假定光学系统是理想的，即以同心光束成完善像，因而也不存在光阑像差的影响。