光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用

2023/11/16 來源：東莞市懿展精密五金制品有限公司

光學(xué)系統(tǒng)除應(yīng)滿足物像共軛位置和成像放大率外，還應(yīng)有兩個要求：一定的成像范圍：在像平面上有一定的光能量和反映物體細(xì)節(jié)的能力（即分辨率，由衍射理論知其和光束的孔徑成正比)。

在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時，應(yīng)按其用途，要求在成像范圍內(nèi)的各點(diǎn)以一定立體角的光束通過光學(xué)系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸取決于光束限制的要求，即成像范圍的大小和成像光束的孔徑確定后，一般來說，光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸也確定了。

因為透鏡或其他光學(xué)元件夾持在金屬或塑料框以內(nèi)，金屬或塑料框本身的內(nèi)孔就是限制光束作用的光孔，這個光孔對光學(xué)零件來說稱為“通光孔徑”。

光學(xué)系統(tǒng)中單是用光學(xué)零件的金屬或塑料框內(nèi)孔來限制光束有時是不夠的，有許多光學(xué)系統(tǒng)還設(shè)置一些帶孔的薄片（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，取決于其用途。大多數(shù)情況下光闌是圓形的，在一些系統(tǒng)（如照相物鏡）中設(shè)置直徑可變的光闌。

光闌的中心一般與系統(tǒng)的光軸重合，光闌平面與光軸垂直。

在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中的光闌，按其作用可分為以下幾種：

1. 孔徑光闌

也稱有效光闌。如果在通過光軸的平面（如子午面）內(nèi)來考慮，它決定了軸點(diǎn)發(fā)出的平面光束的孔徑角。

孔徑光闌的位置在有些光學(xué)系統(tǒng)中有特定的要求。例如對于目視光學(xué)系統(tǒng)，孔徑光闌或其像一定要在光學(xué)系統(tǒng)以外，使眼睛的瞳孔與之重合，達(dá)到良好的觀察效果。

圖1：光闌位置對光束寬度和光學(xué)系統(tǒng)橫向尺寸的影響

在有些光學(xué)系統(tǒng)中，合理地選擇光闌的位置可以改善軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量，因為對于軸外點(diǎn)發(fā)出的寬光束而言，不同的光闌位置在不改變軸上點(diǎn)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(zhì)量較好的那部分光束，如圖1所示，當(dāng)光闌在位置1時，軸外點(diǎn)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(zhì)量較差的那部分光束攔掉。

必須指出，光闌位置改變時，應(yīng)相應(yīng)地改變其直徑以保證軸上點(diǎn)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(zhì)量的前提下，可以使整個光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸減小，結(jié)構(gòu)勻稱。由圖1可以看出，光闌在位置2時所需的透鏡孔徑比在位置1時所需的孔徑要小。

作為目視觀察用的光學(xué)系統(tǒng)，如放大鏡、望遠(yuǎn)鏡等系統(tǒng)，一定要把眼睛的瞳孔作為整個系統(tǒng)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范圍的光闌稱為視場光闌，如照相系統(tǒng)、攝影系統(tǒng)中專門安置的片門，多為方形或長方形的。又如測量顯微鏡的分劃板為視場光闌。

視場光闌的形狀是根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的用途確定的。

3. 漸暈光闌

如圖2所示，透鏡框Q1Q2作為孔徑光闌，限制了軸上點(diǎn)A發(fā)出的光束，即點(diǎn)A以充滿孔徑光闌的光束成像。

圖2：漸暈光闌示意圖

設(shè)在孔徑光闌之前有光闌M1M2，對軸上點(diǎn)光束沒有限制，但對由軸外點(diǎn)B發(fā)出的充滿孔徑光闌的光束有限制作用，如圖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(xiàn)象稱為“漸暈”，產(chǎn)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(xué)系統(tǒng)中，如照相物鏡，一般允許有一定的漸暈存在，使軸外點(diǎn)以窄于軸上點(diǎn)的光束成像，即把成像質(zhì)量較差的那部分光束攔掉，可以適當(dāng)提高成像質(zhì)量。但由于漸暈的存在，像平面上軸外點(diǎn)的光照度低于軸上點(diǎn)的光照度。

允許漸暈存在還可使光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸有所減小。

4. 消雜光光闌

光學(xué)系統(tǒng)除通過成像光束外，還會有一部分非成像物體發(fā)出的光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，由儀器內(nèi)壁反射而投射到成像面上。另外成像光束在透過光學(xué)零件成像的同時，還有一部分被折射面反射，經(jīng)多次反射后也會投射到像面。這些光稱為雜光或雜散光。雜光投射入系統(tǒng)后并均勻地分布在成像面上，可能淹沒了襯度低的部分，有損于成像質(zhì)量。

安置消雜光光闌，可以攔掉一部分雜光，如圖3所示。

圖3：消雜光光闌示意圖

對于一些重要的光學(xué)系統(tǒng)，如天文望遠(yuǎn)鏡、長焦距平行光管等，專門安置消雜光光闌。在一個光學(xué)系統(tǒng)的鏡筒中可以有多個消雜光光闌。

而在一般的光學(xué)系統(tǒng)中，鏡筒內(nèi)壁有時加工成螺紋，并涂黑色以達(dá)到消雜光的目的。