关于实际光学系统介绍

[拼音]：shiji guangxue xitong

[外文]：actual optical systems

一个光学系统除了要考虑高斯光学的有关问题，诸如物像共轭位置、放大率、转像和转折光路等以外，还需考虑成像范围的大小、成像光束孔径角的大小、成像波段的宽窄以及像的清晰度和照度等一系列问题。满足一系列要求的实际光学系统往往不是几个透镜的简单组合，而由一系列透镜、曲面反射镜、平面镜、反射棱镜和分划板等多种光学零件组成，并且要通过合理设置光阑、精细校正像差和恰当确定光学零件的横向尺寸等手段才能得到合乎需要的高质量系统。

光阑

光学系统的各个光学零件都由各自的镜框限定其通光孔，绝大多数情况下是圆孔。有时还在系统中加入固定的或可变的专设光孔。在所有这些光孔中，一定有一个光孔起着限制轴上点成像光束孔径角 2(见图) 的作用；另外有一个光孔起着限制成像范围的作用。这样的光孔称为光阑：前者称孔径光阑或有效光阑；后者称视场光阑。任何光学系统必定存在这样二个光阑。在目视光学系统中，眼睛的瞳孔也必须作为系统的一个光孔来考虑。

由于轴上点的成像光束被孔径光阑所限制，易于想到，将系统的所有光孔分别通过其前面的光学零件成像于物空间时，其中对轴上物点张角为最小的那个像，或当物在无穷远时孔径为最小的那个像所对应的光孔，一定是孔径光阑。孔径光阑在物空间的像称为入射光瞳，其对物点的张角称为物方的光束孔径角。同样，孔径光阑被其后面的光学零件成在像空间的像，称为出射光瞳，它一定也是对轴上像点张角为最小的一个光孔像，这个张角是像方的光束孔径角。入射光瞳、孔径光阑与出射光瞳三者是共轭的。如果忽略光阑像差，入射光瞳是物面上各点成像光束的公共入口；出射光瞳是成像光束的公共出口。通过孔径光阑中心的光线叫主光线，因共轭关系，它也通过入射光瞳中心和出射光瞳中心。因此，一般讲主光线是成像光束的中心线。

孔径光阑在光学系统中的位置与很多因素有关。在某些系统中有特定的要求，例如，目视光学系统一定要使出射光瞳位于目镜之外，以便眼睛的瞳孔能与之重合；远心系统中应使孔径光阑位于焦点上。此外，孔径光阑的位置还与像差校正和系统各光学零件的横向尺寸有关，应在设计时合理确定。

视场光阑是光学系统中决定其成像范围的一个光孔。在有中间实像平面的系统（例如开普勒望远镜和显微镜）和有实像平面的系统（例如摄影系统）中，视场光阑都设置在这种像平面上。视场光阑被其前面的光学零件在物空间中所成的像称为入射窗，它对入射光瞳中心所张的角度是所有光孔像中最小者，这个角度称为视场角。同样，视场光阑被其后面的光学零件在像空间所成的像称为出射窗。入射窗、视场光阑和出射窗也是共轭的。当视场光阑设置在实像平面或中间实像平面上时，入射窗和出射窗分别与物平面和像平面重合，此时视场有明晰的边界。在无实像或中间实像平面的场合，例如眼睛通过放大镜或伽利略望远镜观察时，系统中也总有一个零件，它的通光孔径起着限制视场的作用，上述二情况中，放大镜本身孔径和望远镜物镜的孔径就是决定可见视场范围的视场光阑。显然，此时入射窗不与物平面重合，无明晰的视场边界。

在理想情况下，轴上点和轴外点的光束都受孔径光阑的限制，有基本相同的光束孔径角，如果视场不太大，整个视场的像面照度基本均匀。然而在实际光学系统中，轴外点成像光束往往受其他光学零件通光孔的限制，结果是轴外点的光束孔径角比轴上点的小得多。这是因为要使轴外点也以充满入射光瞳的光束成像时，那些远离孔径光阑的透镜需要有相当大的直径，并且对全孔径轴外光束校正好像差也非常困难。因此，为了改善轴外点的成像质量、也为了光学零件的横向尺寸不特别大，常用适当减小某几个透镜直径的方法来对轴外光束作必要的限制。这种轴外点发出充满入射光瞳的光束被某些光学零件部分拦截而不能全部通过光学系统的现象，称为光束渐晕，如图所示。图中用简化表示法画出前后各一片正透镜和中间一片负透镜组成的三片式照相物镜，孔径光阑设在负透镜附近，光阑孔径变化时，轴上点的孔径角2随之改变。轴外点成像光束中被前后两个正透镜镜框拦截的部分在图中用阴影线表示。轴外点离光轴越远，拦截现象(即渐晕)越严重，结果是视场外围的像面照度大大降低。当然，绝大部分光学系统都允许存在一定程度的渐晕。

成像光束

物点的成像光束是一个以物点为顶点，以入射光瞳为底的空间光锥。此光束经过光学系统以后，其结构会发生变化，对于轴对称光学系统（绝大多数系统属这一类），轴上点光束总具有对称性质，但轴外点光束经系统后失去对称。为便于了解这种光束的结构，通常取其二个特征面上的平面光束来进行描述。

包含轴外物点和光轴的平面称为子午平面。由于光学系统的轴对称性质，轴外物点总可取在作图平面上，即纸平面就是子午平面。位于子午平面上的光束称为子午光束。显然，主光线一定是子午光束中的一条光线。

包含主光线并与子午平面垂直的平面称为弧矢平面。位于弧矢平面上的光束称为弧矢光束。显然，主光线就是子午平面与弧矢平面的交线。由于主光线要经系统各个表面的折射、反射而改变其方向，所以，弧矢平面也逐面发生变化而不是一个统一的平面。

由于光学系统的轴对称性，轴上点光束无需区分子午光束与弧矢光束，轴外点光束则一定是对子午平面对称的。

像差

透镜（或透镜组）所成的像与原物面貌不是准确相似的现象。由于物点发出的光线与透镜主轴交角太大，离轴较远或透镜材料的折射率随光的波长而变等原因造成。像差大小反映成像品质的优劣。像差主要有7种；对单色光有5种，即球差、彗差、像散和像面弯曲及畸变。对于复色光还有两种色差，即轴向色差和垂轴色差。尽量消除或减少这些像差是设计光具组的一项重要任务。