入射窗和出射窗

7.3.1　视场光阑、入射窗和出射窗

如图7.3所示，当眼睛位于0点，通过墙壁M平面上的矩形窗孔ABCD观察室外的物平面N时，所能看到的物面范围为A＇B＇C＇D＇。则称ABCD为视场窗孔，A＇B＇C＇D＇为被窗孔ABCD所限定的视场范围。

类似地，在光学仪器中也存在着限制成像视场范围的光阑，例如照相机中的底片框，开普勒望远镜中的分划板框。

严格地说，光学系统的成像空间范围是由对轴外光束有遮蔽或拦光作用的所有光阑的总和决定。但是，我们总能找到对限制成像范围起主要作用的光阑，称其为“视场光阑”。

在讨论视场光阑之前，首先需要定义主光线的概念。由任意轴外物点发出、并通过孔径光阑中心的光线称之为“主光线”。在理想光学系统中，通过孔径光阑中心的每一条主光线，必通过与之共轭的入瞳中心和出瞳中心。一般在没有渐晕的情况下，主光线是各轴外物点发出的圆锥光束的中心光线（或轴线）。因此，也常以主光线代表该圆锥光束。在透镜设计校正像差中，主光线具有特别重要的意义；而在存在像差的实际光学系统中（例如存在光阑球差），主光线则不一定恰好通过入瞳和出瞳中心。

为便于建立视场光阑的概念，首先作如下的简化假定：即假定孔径光阑的直径很小，因而入瞳直径亦很小，物空间的每一点都用主光线邻近的细光束成像。这样，光学系统的成像范围便主要由对主光线起限制作用的光阑所决定。因此，视场光阑也就是当入瞳很小时，限制物面成像范围的光阑；主光线亦可称为视场光线。

从物方（或像方）确定视场光阑的方法和步骤是：首先将仪器中的所有光阑（包括透镜边框）经其前方（或后方）系统成像在整个系统的物空间（或像空间）；然后，从系统的入瞳中心（或出瞳中心）分别向物空间（或像空间）所有的光阑像的边缘作连线，其中张角最小的称为“入射窗”（或出射窗），与其共轭的实际光阑即为视场光阑。

由上述讨论可以看出：视场光阑经其前方系统在整个光学系统物空间所成的像即为入射窗；类似地，视场光阑经其后方系统在整个系统像空间所成的像即为出射窗。对同一光学系统，入射窗、视场光阑、出射窗三者共轭。

由入瞳中心向入射窗直径边缘所引连线的夹角2ω，称为物方视场角；同样，由出瞳中心向出射窗直径边缘所引连线的夹角2ω＇，称为像方视场角。以上定义是由主光线所决定的视场角。在实际应用中，根据需要表示被系统成像的视场范围可以用角量表示（2ω），称为角视场；也可用线量表示（2Y），称为线视场。

图7.4表示了在入瞳很小的条件下，由入射窗（或出射窗）所决定的成像范围。图中物面BC范围内物点均可被成像；BC外的点，如D点发出的主光线落在入射窗外部，因而不能通过系统成像。

图7.3　窗孔对观察视场范围的限制

图7.4　光学系统中入射窗（视场光阑）对视场的限制