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小火龙果

2023-09-21 14:08

RP Fiber Power | 入瞳和出瞳

光学成像系统可以包含各种限制光线通过的光学孔径。然而，并非所有这些孔都与系统的光学性能相关。此外，孔径的效果也受其他光学元件来影响。此外，限制孔径角的孔径，其位置也会对离轴光线的处理有影响。

为了考虑所有这些方面，在几何光学中发展了入瞳和出瞳的抽象概念，用于描述从系统外部看到的光学孔径的效果。

入瞳我们首先考虑光束路径中不同位置的孔径对孔径角的影响。假设成像系统聚焦在某个像面上，并且光线从物面的中心出射。图1展示出了在不同位置的不同直径的孔径可以导致相同的孔径角限制。然而，重要的是，对于从物面中的不同(离轴)位置发出的光线，它们的效果是不同的。因此，仅知道最大孔径角是不够的。

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图1:成像系统可以被不同位置A1、A2和A3处的光圈限制到相同的孔径角。然而，对于来自物面中其他点的光，它们的效果会有所不同。

人们通过构造所谓的入瞳来解决这个问题，入瞳具有确定的直径和轴向位置。在图2中是相同的系统，但仅包含中间孔径(A2，现在称为A)。该孔径向左成像，即仅考虑其左侧的光学元件。物方的光线反向延长，即可找到入瞳的边缘——这会在第一甚至第二光学表面后成一个虚像。入瞳是从物方看到的孔径的像。

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图2:系统中间孔径的入瞳。

利用入瞳，不仅可以确定最大孔径角，还可以正确地描述对从物面中的其他点射出的光线的限制。

对于其他光学元件前面的孔径，例如图1中的A1，假设透镜足够大，不会带来限制，则入瞳与该物理孔径完全相同。如结构为图1中的孔径A3，将再次导致不同的入瞳结果。事实上，这三种孔径对系统的光学性能也有不同的影响。

对于有限尺寸的单个薄透镜并且没有附加孔径的情况下，入瞳即是透镜的通光部分。对于多透镜系统，入瞳可以位于光学系统之前、之内或之后。

例如，对于任何摄影物镜，可以基于光学设计构建入瞳的位置和直径。存在多个光圈的情况下，则考虑对光线限制最强的光圈。然后可以指定入瞳参数，而不是实际物理孔径和其他光学元件的所有细节；仅用这些数据，就足以说明物方的光圈效果。

对于变焦镜头，入瞳通常取决于变焦设置。

摄影物镜的光圈通常用F数来规定，F数被定义为焦距和入瞳直径的比值。

入瞳的轴向位置也与相机的透视中心相关。

对于物方远心的物镜，入瞳位于距物镜无限远的位置。入瞳为物的正投影，放大率与物距无关。

对于显微镜物镜，入瞳和焦距与数值孔径直接相关，这是常用的规格。

一些作者使用术语入瞳来表示实际上应该被称为入瞳的直径；注意，入瞳的轴向位置也是一个重要的参数。

出瞳

以类似的方式，我们可以构建光学系统的出瞳，这次将相关孔径成像到右侧，即朝向像面。在我们的示例中(图3)，同样成一个虚像。当仅考虑孔径之后的光学器件时，该图像再次处于物理孔径的共轭平面中。此外，可以看到入瞳和出瞳位于整个光学系统的共轭平面内。

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图3:如上系统的出瞳的构造。

根据系统设计，出瞳可能位于像面，其直径等同于物理孔径，或者作为虚像位于任何轴向位置。通常，它位于光学系统的后面。

望远镜和显微镜的目镜通常设计成其出瞳与观察眼睛的瞳孔重合。(注意，假定的天文望远镜的出瞳直径要比显微镜的大得多，因为其观察条件通常相对较暗，导致瞳孔变大。)如果出瞳更大，则眼睛不能利用所有的出射光，这会损失图像亮度。(这种情况可能发生在望远镜中，例如，当使用放大率太低的目镜时，即焦距太长时，或者当在白天使用夜视眼镜时。)光学系统的出瞳较小也是不合适的，这导致无法利用眼睛的最大角分辨率。出瞳的轴向位置不处于观察眼睛的瞳孔位置也是不理想的，因为我们观察的不仅仅是中心视场的物体，而是观察方向的一个视场范围。出瞳和最后一个光学表面(或目镜的几何末端)之间的距离称为眼适距；对于一些短焦距的目镜来说，这个值可能很小。

出瞳的轴向位置在摄影中也起重要作用的，它离像面越近，在图像传感器最边缘的入射角就越大。物镜设计应该避免这种情况，甚至做到像方远心，特别是对于具有微透镜的图像传感器，这意味着探测器的接收角减小。

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