出瞳

2020-12-18 16:06:25 浏览:2954

定义

出瞳是在光学系统中孔径光阑在光学系统像空间所成的像,只有通过出瞳的光线才能离开光学系统。

出瞳同时也是入瞳经过整个光学系统在像空间所成的像,二者为共轭关系。

图 1 入瞳及出瞳

出瞳的设计原则

要使用光学仪器,观察者眼睛的入射瞳孔必须与该仪器的出射瞳孔对齐并具有相似的尺寸。这样将光学系统正确和眼睛正确耦合并避免渐晕,因此出射光曈的位置决定了目镜的视距。好的目镜设计应当是出瞳的直径近似于眼睛的视在瞳孔直径,并且距目镜的最后表面约20毫米,以使观察者感到舒适。如果出瞳大于眼睛的瞳孔,则光会丢失而不是进入眼睛;如果较小,则视图将渐晕。如果出瞳离目镜的最后一个表面太近,则眼睛必须不舒适地闭合才能观看。如果距离太远,观察者将难以保持眼睛与出瞳的对准。由于眼睛的瞳孔直径随观看条件而变化,因此理想的出瞳直径取决于应用条件[1]

在望远镜中的设计

望远镜系统中把物镜、目镜当作薄透镜处理,暂不考虑棱镜并拉直光路,得到望远镜系统如图2所示:

 

图 2 望远镜系统简化图

两个光学系统联用共同工作时,大多遵从光瞳衔接原则,即前面系统的出瞳与后面系统的入瞳重合,否则会产生光束切割,即前面系统的成像光束中有一部分将被后面的系统拦截,不再能够参与成像。双目望远镜系统是与人眼联用的,人眼的入瞳就是瞳孔,这样,满足光瞳转接原则的望远镜系统其出瞳应该在目镜后,而且应离目镜最后一面有段距离,这段距离称为岀瞳距,用表示,为使眼睛睫毛不致和目镜最后一个表面相碰而影响观察,系统的出瞳距不能太短,一般不能短于6mm,在军用仪器中,考虑到在加眼罩和戴防毒面具的情况下仍能观察,出瞳距离一般为 20mm 左右。如图2所示,为满足出瞳在目镜之外的要求,孔径光阑必须放在分划板的左侧[2]

天文望远镜需要大孔径,因为它被设计用来在夜间看昏暗的物体,而显微镜则需要小得多的孔径,因为物体会被明亮地照亮[2]。一组7×50双筒望远镜的出瞳在7.1毫米以上,这相当于在没有外部光线的情况下,适应黑暗的年轻人眼的平均瞳孔大小。然后,在目镜处发出的光会充满眼睛的瞳孔,这意味着在夜间不会由于使用此类双筒望远镜而损失亮度[3]。在日光下,当眼睛的瞳孔直径仅为4毫米时,超过一半的光线将被虹膜阻挡,并且不会到达视网膜。但是,白天的光线损失通常不值得关注,因为一开始会有很多光线。相比之下,通常强调紧凑性的8×32双筒望远镜的出瞳仅为4 mm。这足以填充典型的白天眼睛瞳孔,从而使这些双筒望远镜比白天更适合白天使用[4]。25岁以下的人眼的最大瞳孔大小通常为5–9 mm并且随着年龄的增长而逐渐减小[5]

在显微镜中的设计

一般的显微镜由物镜和目镜所组成,系统中成像光束的口径往往由物镜框限制,物镜框是孔径光阑。位于目镜物方焦面上的圆孔光阑或分划板框限制了系统的成像范围,成为系统的视场光阑。

有一些显微镜是用于测量长度的,其测量原理是在物镜的实像面上置一刻有标尺的透明分划板,标尺的格值已考虑了物镜的放大率,因此,当被测物体成像于分划板平面上时,按刻尺读得的像的长度即为物体的长度。用此方法作物体长度的测量,标尺分划板与物镜之间的距离固定不变,以确保按设计规定的物镜放大率为常值。同时通过调焦使被测物体的像重合于分划板的刻尺平面,即被测物体位于设计位置,否则就会产生测量误差。但要精确调焦到物体的像与分划板平面重合是有困难的,这就产生了测量误差。解决此问题的办法是将孔径光阑移至物镜的像方焦平面上,如图3所示。

图 3 望远镜系统简化图

由于孔径光阑与物镜像方焦平面重合,所以无论物体位于AB位置还是处于A1B1 位置,它们的主光线是重合的,也就是说轴外点的光束中心是相同的,所以尽管A1B1 成像在A‘1B’1 的地方不与A‘B’  重合,但在分划板标尺上两个弥散圆的中心间距没有变,仍然等于y'。这样虽然调焦不准,但也不产生测量误差。这个光路的特点是入瞳位于无穷远,轴外点主光线平行于光轴,因此把这样的光路称为 “物方远心光路”[2]

在相机中的设计

出射光瞳距传感器平面的距离决定了光将与传感器形成的入射角范围。数字图像传感器通常会在有限的角度范围内有效接收光线,尤其是那些使用微透镜来提高其灵敏度的角度[6]。出射光瞳越靠近焦平面,在视场的极端边缘处的入射角越大。这可能导致像素渐晕。因此,许多小型数码相机(例如在手机中使用的数码相机)都是像空间远心相机。

参考文献

[1] Aging Eyes and Pupil Size". Archived from the original on 2013-10-23. Retrieved 2009-05-19. 
[2] 工程光学 [M]. 机械工业出版社,郁道银,谈恒英, 2017
[3] Factors Affecting Light-Adapted Pupil Size in Normal Human Subjects
[4] Ortiz, Estefan; Bowyer, Kevin W.; Flynn, Patrick J. (2013). "A linear regression analysis of the effects of age related pupil dilation change in iris biometrics". IEEE Sixth International Conference on Biometrics: Theory, Applications and Systems. doi:10.1109/BTAS.2013.6712687. Archived from the original on 2014-10-06.
[5] https://www.astronomics.com/binocular-specifications_t.aspx
[6] Wisniewski, Joseph S. (December 6, 2003). "The Digital Lens FAQ". Archived from the original on July 5, 2008. Retrieved May 11, 2008.

成像基本概念

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