几何光学中的孔径光阑、入瞳、出瞳

光阑的概念

如下图所示,透镜的大小限制了A点发出的成像光束的孔径角,像面的大小限制成像范围,它们都是对光束的限制,称为光阑。

光阑:起限制成像光束作用的透光孔。

光阑的位置

孔径光阑:光学系统中,限制轴上点发出光束的孔径角的元件,简称孔阑,它决定了物体上各点有多大的光束可以进去光学系统。孔阑大小会影响成像亮度、景深等等。

入射光瞳:孔阑通过其前面的透镜成像到物空间,这个像称为入射光瞳,简称入瞳。由光路的可逆性原理,物方光线直接被入瞳所限制,可以方便地画出物体能进入光线系统的光束,从而求得物方孔径角。上图中,Q‘是Q的像,Q1’是Q1的像,Q2’是Q2的像。

出射光瞳:孔阑通过其后面的透镜成像到像空间,这个像称为出射光瞳,简称出瞳。像方光线直接被出瞳所限制,可以方便地求得像方孔径角。上图中,Q‘’是Q的像,Q1’‘是Q1的像,Q2’’是Q2的像。

如何求孔阑:将所有光学系统中的所有元件通过其前面的元件成像到物空间,这些像对物面中心张角最小的那一个像为入瞳,对应的元件为孔阑,通过后面的元件成像到像空间,这个像为出瞳。

主光线:物点发出的通过孔阑中心的光线。

特点:其为参与成像的物光束的中心光线,故起名主光线。所有主光线均通过入瞳、孔阑、出瞳中心。

注:图中红线即为主光线。通过Q点(孔阑中心)、Q’点(入瞳中心),Q”点(出瞳中心)。

边缘光线:过孔径光阑边缘的光线。

特点:边缘光线一定会过孔径光阑、入瞳、出瞳的边缘。

如何寻找孔径光阑?

对一近轴光线进行追迹,记录光线在每一个元件上的高度y和有效孔径CA,CA/y最小的就是代表孔径光阑的元件。

如何寻找入瞳?

1. 计算入瞳位置

将孔径光阑的中心看作是一个物点,向左进行追迹,得到第一个透镜面光线的高度y以及出射角u,(y/tan(u))+Δz可以计算出入瞳位置距第一个透镜面的距离(S0)。

2. 计算入瞳孔径

将孔径光阑边缘看作是一个物点,向左进行追迹,得到第一个透镜面的光线高度y以及出射角u,(y/tan(u))-Δz可以计算出出射光线与光轴的交点距第一个透镜面的距离(S1),可得该轴上点距入瞳中心的距离S=S0+S1,入瞳孔径R=S*tan(u)。

如何寻找出瞳?

1. 计算出瞳位置

将孔径光阑的中心看作是一个物点,向右进行追迹,得到最后一个透镜面光线的高度y以及出射角u,(y/tan(u))+Δz可以计算出出瞳位置距最后一个透镜面的距离(S0)。

2. 计算出瞳孔径

将孔径光阑边缘看作是一个物点,向右进行追迹,得到最后一个透镜面的光线高度y以及出射角u,(y/tan(u))-Δz可以计算出出射光线与光轴的交点距最后一个透镜面的距离(S1),可得该轴上点距出瞳中心的距离S=S0+S1,出瞳孔径R=S*tan(u)。

相关镜头参数说明

1、F/NO.(F-Number)焦数(相对孔径)

定义:有效焦距与入射瞳孔径的比值。

F/#=EFL/EPD (EPD:入射瞳孔径)

作用:用来决定镜头之明暗。

备注:在保证同样通光孔径的前提下,焦距越短相对孔径应越小。

2、CRA(ChiefRay Angle) 主光线角度

定义:主光线角度为主光线与平行光线的角度。

主光线就是光线由物体的边缘出射,通过孔径光阑的中心最后到达像的边缘。注意事项:主光线出射角度不合适会暗角严重,对比度下降,偏色。

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