[科普中國]-出射光瞳

簡介

光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌在光學(xué)系統(tǒng)像空間所成的像稱為系統(tǒng)的“出瞳”。出瞳的位置（由出瞳距離表示）和直徑（由出瞳直徑表示）代表了出射光束的位置和口徑。

在光學(xué)系統(tǒng)中，出射光瞳是光學(xué)系統(tǒng)中的真正口徑。 只有通過這個真正口徑的光線才可以離開系統(tǒng)。 出射光瞳是光學(xué)器件中的孔徑光闌的圖像。 在望遠(yuǎn)鏡或復(fù)合顯微鏡中，該圖像是由目鏡產(chǎn)生的目標(biāo)元件的圖像。 該尺寸和形狀對于儀器的性能也是必需的，因為觀察者的眼睛只有通過這個微小的光圈才能看到光線。 出射光瞳通常也用于指虛擬光圈的直徑。1

孔闌、入瞳和出瞳之間的共軛關(guān)系（1）通過入瞳中心的光線必通過孔闌中心，并過出瞳中心。

（2）通過入瞳邊緣的光線必通過孔闌邊緣，并過出瞳邊緣。2

光闌定義光學(xué)系統(tǒng)中可以限制光束的光學(xué)元件的邊框，或者帶孔的金屬薄片通稱為光闌。

分類光闌根據(jù)在光學(xué)系統(tǒng)中的作用不同主要有三類：孔徑光闌、視場光闌和消雜光光闌。

孔徑光闌：光學(xué)系統(tǒng)中對于光軸上物點發(fā)出的光束起主要限制作用的光闌。

孔徑光闌的確定方法：

(1) 作出光學(xué)系統(tǒng)中所有光闌在系統(tǒng)物(像)空間的像；

(2) 在系統(tǒng)的物(像)空間比較光闌的像對A(A')的張角，張角最小的光闌的像對應(yīng)的光闌即為孔徑光闌。

說明：(1)光學(xué)系統(tǒng)孔徑光闌與系統(tǒng)和物平面位置有關(guān)；

(2)當(dāng)物(像)位于無窮遠(yuǎn)時，在物(像)空間比較張角變?yōu)楸容^光闌的像的大小。

入瞳：孔徑光闌在光學(xué)系統(tǒng)物空間的像。

出瞳：孔徑光闌在光學(xué)系統(tǒng)像空間的像。

說明：入瞳和出瞳關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)共軛。

虛擬儀器為了使用光學(xué)儀器，觀察者的眼睛的入射光瞳必須與儀器的出射瞳孔對準(zhǔn)并具有相似的尺寸。 這適當(dāng)?shù)貙⒐鈱W(xué)系統(tǒng)耦合到眼睛并避免暈影。 （眼睛的入射瞳孔是通過角膜觀察到的瞳孔的圖像）。出射瞳孔的位置因此決定了目鏡的眼睛的位置。 良好的目鏡設(shè)計，其直徑接近眼睛瞳孔直徑的出射光瞳，并且位于距目鏡的最后一個表面約20mm處，以提供觀察者舒適的場合。 如果大于眼睛的瞳孔，光將會丟失，而不會進(jìn)入眼睛；如果較小，視圖將被忽略。 如果太靠近目鏡的最后一個表面，眼睛必須靠近才能觀察；如果太遠(yuǎn)，觀察者將難以保持眼睛與它之間的對準(zhǔn)。

由于眼睛的瞳孔直徑隨觀察條件而變化，理想的瞳孔直徑取決于應(yīng)用場合。天文望遠(yuǎn)鏡需要一個大瞳孔，因為它被設(shè)計用于在晚上觀看朦朧的物體，而顯微鏡將需要更小的瞳孔，因為物體將被明亮地照亮。例如，規(guī)格為 7 x 50的雙筒望遠(yuǎn)鏡，出射光瞳正好略大于7 mm，這正是眼睛的瞳孔在夜晚的大小。這意味著在夜晚使用這一種雙筒望遠(yuǎn)鏡，通過目鏡然后進(jìn)入瞳孔中的光線，一點都沒有損失掉（假設(shè)傳導(dǎo)是完美的）。但在白天，瞳孔的直徑大約只有4 mm，則有一半以上的光量不能到達(dá)視網(wǎng)膜。然而，這種損失是無關(guān)緊要的，因為在白天有非常充裕的光量。與8 x 32的雙筒望遠(yuǎn)鏡對比，依照規(guī)格上的重點，出射光瞳的直徑只有4 mm，這正好與白天的瞳孔值徑相同，因此這種望遠(yuǎn)鏡在白天使用的效果會比在夜晚來得好。3

望遠(yuǎn)鏡對于望遠(yuǎn)鏡，可以通過將目鏡的焦距除以望遠(yuǎn)鏡的焦距比（f數(shù)）來計算出射光瞳的直徑。除了最便宜的望遠(yuǎn)鏡之外，目鏡是可互換的，目鏡是可互換的，因此，放大倍數(shù)不會寫在鏡架上，因為它會隨著不同的目鏡而改變。 相反，望遠(yuǎn)鏡的f數(shù)f = L / D通常寫在示波器上，以及物鏡直徑D和焦距L上。各個目鏡的焦距也寫在它們上面。

然而，在雙筒望遠(yuǎn)鏡的情況下，兩個目鏡通常是永久連接的，并且放大倍數(shù)和物鏡直徑（以mm為單位）通常以例如7×50的形式寫在雙筒望遠(yuǎn)鏡上。 在這種情況下，出射光瞳可以容易地計算為物鏡的直徑除以倍率。 這兩個公式當(dāng)然是等價的，它只是一個關(guān)于使用哪個公式開始計算的問題。

在攝影上出射光瞳的觀念在光學(xué)攝影的書中通常都不會談?wù)摰?，但是在?shù)位攝影機(jī)中這是非常重要的主題。出射光瞳與焦平面的距離決定了入射至焦平面的光線角度，而影像感測器，特別是微透鏡，接受光線的角度范圍是有一定限制的。 出射光瞳越接近焦平面，視場邊緣入射光的角度就越大。

在線上的"digital lens FAQ"，在透鏡概念的文章中說明出射光瞳距離對定義一臺數(shù)位相機(jī)適用與否的重要性。4