几种典型系统的光阑设置与光束限制

7.4.2　几种典型系统的光阑设置与光束限制

以下结合几种常见的典型系统，分析其光束限制情况。

（1）开普勒望远镜

最简单的开普勒望远镜的光束限制情况如图7.9（a）所示。

系统是由物镜L₁和正目镜L₂组成，物镜与目镜的共焦面置有分划板，分划板框即为限制成像范围的视场光阑，由于入射窗在无限远与物平面重合，因而当目镜口径足够大时，视场中有清晰边界，没有渐晕现象产生。

从轴上无限远点比较系统在物空间各光阑像的口径时，发现物镜框具有最小口径，在物空间直接限制成像光束口径，因而物镜框L₁是入瞳及孔径光阑，L₁经目镜在系统像空间所成的像L₁″是出瞳。开普勒望远镜的出瞳在系统的外部，因而便于和眼睛配合使用。设计时，应根据使用要求确定合理的出瞳直径和出瞳距离。

当目镜框的像L₂＇对入瞳中心的张角小于分划板框在系统物空间像Q＇（即入射窗）对入瞳中心的张角时，则目镜框成为限制轴外光束的第二窗。此时望远镜的视场虽有清晰的边界，但边缘视场的部分光束将受到目镜框的遮挡而产生渐晕（见图7.9（b））。

具有普鲁Ⅰ型正像棱镜组双筒望远镜，为使轴外光束口径减小，以减小仪器的横向尺寸，并拦掉那些像质不好的光线，改善轴外点像质，在系统中加入第二窗。第二窗应该加在轴外光束与轴上光束能足够分开的地方，以保证对轴外光束的限制不会影响轴上光束的口径，以致干扰孔径光阑的作用。图7.9（c）表示了用适当减小目镜框口径和在普鲁Ⅰ型棱镜的入口处设置附加光阑两种手段相配合，对称地挡去轴外光束的阴影部分Ⅰ和Ⅱ。目镜框与棱镜的附加光阑即为系统的第二窗。由于第二窗对轴外光束的对称遮蔽作用，轴外光束从目镜射出后仍为对主光线对称。这种对称遮蔽的渐晕称为对称渐晕。

（2）伽里略望远镜

由物镜L₁和负目镜L₂组成的伽里略望远镜（见图7.10（a）），在不考虑眼瞳作用时，物镜框L₁是整个系统的入瞳也是孔径光阑，在物空间直接限制入射光束的口径，物镜框经目镜所成的虚像L₁″是系统的出瞳，位于物镜与目镜之间。由于出瞳位于系统内部，眼瞳无法与之重合，因此轴外光束中有一部分光线不能进入眼瞳。

图7.9　开普勒型望远镜的光束限制

当用眼观察时，应将眼瞳作为此组合系统的一个光阑来考虑（见图7.10（b）），则眼瞳在像空间直接限制出射光束口径，因此是系统的孔径光阑（Q）及出瞳（Q″）；另外，眼瞳经其前方的目镜和物镜在系统物空间所成的像Q＇为系统的入瞳。此时，在入瞳中心对系统物空间的光阑像L₁＇、L₂＇所构成的张角中（图中未画出），前者张角最小，因而物镜框为系统的视场光阑及入射窗，物镜框经目镜所成的像L₁″为出射窗。由于入射窗与物平面不重合，边缘视场在成像时必有渐晕现象。

（3）显微镜

对于由单组低倍物镜和目镜所组成的显微镜，物镜框就是孔径光阑，亦为入瞳，它经目镜所成的像即为整个显微镜的出瞳，位于目镜的像方焦点之后；置于物镜像平面上的分划板框或圆孔光阑决定了系统的成像范围，成为系统的视场光阑。上述显微镜的光束限制情况如图7.11所示。

对于由多组透镜组成的较复杂的显微物镜，通常以物镜末端的一个镜框或者物镜像方焦面附近的一个特设光阑作为孔径光阑。

（4）照相机

图7.10　伽里略望远镜的光束限制分析

图7.11　显微镜的光束限制

图7.12　照相机中的光阑设置

照相物镜中有专设的孔径光阑，大多数均位于物镜内部。为适应于不同光照条件下，需要进入镜头的光通量的多少，照相物镜的孔径光阑是直径可以连续改变的可变光阑；照相机中的底片框是限制视场大小的视场光阑，它决定了成像的幅面形状。此外，由于入瞳直径有一定大小，因此镜头中某些透镜的边框（主要是最前面和最后面的透镜框）对轴外光束将产生一定程度的遮蔽作用，因而产生渐晕现象。且相对孔径越大，渐晕程度越严重。这种透镜的边框即为第二窗。有意识地利用透镜边框拦掉那些偏离理想成像位置较远的光线，可以改善轴外点像质。一般照相物镜视场边缘拦掉50％的光线是允许的（不会引起底片上感光层光化作用的太大的不均匀）；必要时渐晕系数允许达到0.3甚至0.2。图7.12以三片型镜头为例，表示了典型照相机中的孔径光阑与视场光阑设置情况，O＇、O″分别为入瞳及出瞳位置。