光闌在光學系統中的作用

光學系統除應滿足前述的物像共軛位置和成像放大率外，還應有兩個要求：一定的成像範圍；在像平面上有一定的光能量和反映物體細節的能力（即解析度，由衍射理論知其和光束的孔徑成正比）。在涉及光學系統時，應按其用途，要求在成像範圍內的各點以一定立體角的光束通過光學系統成像。總之，上述要求是一個如何合理地限制光束的問題。

光學系統的橫向尺寸取決於光束限制的要求，即成像範圍的大小和成像光束的孔徑確定後，一般來說，光學系統的橫向尺寸也確定了。因為透鏡或其他光學元件夾持在金屬框以內，金屬框本身的內孔就是限制光束作用的光孔，這個光孔對光學零件來說稱為「通光孔徑」。

光學系統中單是用光學零件的金屬框內孔來限制光束有時是不夠的有些光學系統還設置一些帶孔的金屬薄片（也可能用透鏡框），稱為「光闌」。光闌可以是圓形的、長方形的或正方形的，取決於其用途。大多數情況下光闌是圓形的，在一些系統（如照相物鏡）中設置直徑可變的光闌。光闌的中心一般與系統的光軸重合，光闌平面與光軸垂直。

在實際光學系統中的光闌，按其作用可分為以下幾種。

1，孔徑光闌

孔徑光闌也稱為有效光闌。如果在通過光軸的平面（如子午面）內來考慮，它決定了軸點發出的平面光束的孔徑角。

孔徑光闌的位置在有些光學系統中有特定的要求。例如對於目視光學系統，孔徑光闌或其像一定要在光學系統以外，使眼睛的瞳孔與之重合，達到良好的觀察效果。在有些光學系統中，合理地選擇光闌的位置可以改善軸外點的成像質量；因為對於軸外點發出的寬光束而言，不同的光闌位置在不改變軸上點光束的前提下，可以選擇不同部分的光束參與成像，即可以選擇成像質量較好的那部分光束。如圖5.1所示，當光闌在位置1時，軸外點B以光束BM1N1成像，而光闌在位置2時，即以光束BM2N2成像，這樣可以把成像的質量較差的那部分光束攔掉。必須指出，當光闌位置改變時，應相應地改變其直徑以保證軸上點的光束的孔徑角不變。此外，合理地選取光闌位置，在保證成像質量的前提下，可以使整個光學系統的橫向尺寸減小，結構勻稱。由圖5.1可以看出，光闌在位置2時所需的透鏡孔徑比在位置1 時所需的透鏡孔徑要小。

作為目視觀察用的光學系統，如放大鏡、望遠鏡的系統，一定要把眼睛的瞳孔作為整個系統的一個光闌來考慮。

2，視場光闌

安置在物平面或者像平面上限制成像範圍的光闌，稱為視場光闌。例如，照相系統、攝影系統中專門安置的片門。多為方形或長方形；又如，測量顯微鏡的分劃板，也為視場光闌。視場光闌的形狀是根據光學系統的用途確定的。

3，漸暈光闌

如圖5.2所示，透鏡框Q1Q2作為孔徑光闌，限制了軸上點A發出的光束，即點A以充滿孔徑光闌的光束成像。設在孔徑光闌之前有光闌M1M2,對軸上點光束沒有限制，但對由軸外點B發出的充滿孔徑光闌的光束有限制作用，如圖5.2上陰影線部分是被光闌M1M2攔掉的部分光束。軸外光束被攔截的現象稱為「漸暈」，產生漸暈的光闌稱為「漸暈光闌」。漸暈光闌多是透鏡框。

在一些光學系統中，如照相物鏡，一般允許有一定的漸暈存在，使軸外點以窄於軸上點的光束成像，即把成像質量較差的那部分光束攔掉，可以適當提高成像質量。但由於漸暈的存在，像平面上軸外點的光照度低於軸上點的光照度。允許漸暈存在還可使光學系統是外形尺寸有所減小。

4，消雜光光闌

光學系統除通過成像光束外，還會有一部分非成像物體發出的光進入系統，由儀器內壁反射而透射到成像面上。另外，成像光束在透過光學零件成像的同時，還有一部分被折射面反射，經多次反射後也會投射到像面。這些光稱為雜光或雜散光。雜光投射入系統後均勻地分布在成像面上，可能淹沒了襯度低的部分，有損於成像質量。安置消雜光光闌，可以攔掉一部分雜光，如圖5.3所示。對於一些重要的光學系統，如天文望遠鏡、長焦距平行光管等，專門安置消雜光和光闌。在一個光學系統的鏡筒中可以有多個消雜光光闌。而在一般的光學系統中，鏡筒內壁有時加工成螺紋，並塗黑色以達到消雜光的目的。

光學系統的孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳

1，孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳

光學零件的直徑是有一定大小的，不可能讓任意大的光束通過，而實際光學系統總是對一定孔徑的光束成像。因此，必須有一個光孔（可能是一個透鏡框，也可能是一個專門設置的光闌）限制著光束的大小。圖5.4中Q1QQ2就是這樣的光孔。將此光孔通過其前面的透鏡成像到物空間去，則其像P1PP2決定了光學系統的物方孔徑角U。該限制軸上點光束孔徑角的光孔像P1PP2稱為入射光瞳，簡稱入瞳。光孔Q1QQ2通過其後面的透鏡在像空間所成的像P1PP2決定了系統像方孔徑角U,稱為出射光瞳，簡稱出瞳。與入射光瞳、出射光瞳對應的那個實際起著限制作用的光孔Q1QQ2即為孔徑光闌。

顯然，入射光瞳通過整個光學系統所成的像就是出射光瞳，二者對整個光學系統是共軛的。如果光闌在整個系統的像空間，那麼它本身也是出射光瞳。反之，在物空間，它就是入射光瞳。

將光學系統中所有光學零件的通光孔分別通過其前面的光學零件成像到整個系統的物空間去，入射光瞳必然是其中對物面中心張角最小的一個。圖5.5所示為圖5.4的簡化系統，透鏡L1成像到物空間時就是本身。光闌Q1QQ2成像到物空間P1PP2,透鏡L2成像到物空間為L2』。

由物面中心點A對各個像的邊緣引連線，可以看出入射光瞳P1PP2對點A的張角為最小，此角即為軸上點作邊緣光光路計算所取的孔徑角。這條由物面中心通過入射光瞳邊緣的光線常稱為第一輔助光線。同理，使所有的光學零件的通光孔通過其後面的光學零件成像到像空間去，則出射光瞳對像面中心的張角最小，此即像方孔徑角U』，如圖5.6所示。L1』是透鏡L1在像空間的像，P1』P』P2』是光闌在像空間的像,透鏡L2在像空間的像即其本身。由圖5.6可知，只有出射光瞳P1』P』P2』對像面中心點A』的張角為最小。

如果透鏡L1和L2完全相同，並對稱於光闌放置，則其入射光瞳和出射光瞳的大小和倒正完全一樣，即入射光瞳和出射光瞳之間的垂軸放大率為+1。因而結構對稱於光闌的對稱式系統入射光瞳和出射光瞳與光學系統的物方主面和像方主面相重合。

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