RP Fiber Power | 入瞳和出瞳



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。

RP Fiber Power | 入瞳和出瞳的图1

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。

RP Fiber Power | 入瞳和出瞳的图2

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。

RP Fiber Power | 入瞳和出瞳的图3

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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