光阑

光阑（Aperture Stop）是光学系统中用于限制光束通过范围的物理结构，通过控制光线的孔径或开口大小，直接影响成像质量、光通量及系统性能。以下是其核心内容：

1. 定义与基本功能

• 定义：
  光阑是光学元件（如透镜、反射镜）或专门设计的孔径装置（如光圈叶片），用于约束光束的传播路径。

• 核心功能：

  • 限制光束范围：阻挡杂散光，减少像差（如球差、彗差）。

  • 调节光通量：控制进入系统的光强（如相机光圈调节曝光）。

  • 优化景深：小孔径（大F数）增大景深，大孔径（小F数）虚化背景。

2. 光阑的类型

(1) 孔径光阑（Aperture Stop）

• 作用：决定进入系统的光束最大孔径，直接影响像面亮度和分辨率。

• 示例：相机镜头中的可变光圈（如f/1.4至f/16）。

(2) 视场光阑（Field Stop）

• 作用：限定成像的视场范围，防止边缘杂光干扰（如显微镜的视场光阑）。

• 位置：通常位于像平面附近（如相机传感器前的遮光框）。

(3) 消杂光光阑（Baffle）

• 作用：吸收或反射非成像光束，提升对比度（常见于望远镜和激光系统）。

3. 光阑对光学系统的影响

(1) 像差控制

• 球差：缩小孔径可减少球差，但过度缩小会引发衍射极限问题。

• 彗差与像散：非对称光阑（如椭圆形）可能加剧离轴像差。

(2) 衍射效应

• 艾里斑：光阑孔径越小，衍射现象越显著，分辨率降低。

• 分辨极限：根据瑞利判据，分辨能力与波长（λ）和孔径（D）相关（θ≈1.22λ/D）。

(3) 景深与焦深

• 景深公式：景深 ∝ (F数 × 容许弥散圆直径) / (焦距²) ，F数=焦距/孔径。

4. 实际应用示例

(1) 摄影镜头

• 光圈调节：通过叶片调整孔径，平衡曝光与景深（如人像摄影用大光圈虚化背景）。

• 星芒效果：多边形光阑（如6叶片）使点光源衍射形成星芒。

(2) 显微镜

• 聚光镜光阑：调节照明光束角度，优化样品对比度（如科勒照明系统）。

(3) 望远镜

• 主镜孔径：大型光阑（如8米口径）提升集光能力与分辨率（如甚大望远镜VLT）。

5. 光阑设计的关键参数

• 孔径形状：圆形（均匀衍射）、多边形（特定衍射图案）。

• 位置选择：

  • 孔径光阑置于透镜组中间可优化像差校正。

  • 视场光阑靠近像平面以精确限定视场。

• 渐晕控制：避免边缘光束被遮挡（如广角镜头需匹配光阑与镜组尺寸）。

6. 光阑 vs. 光圈

总结

光阑是光学系统的“守门员”，通过精确控制光束的形态与通量，平衡像差、分辨率与光效率。从手机摄像头到天文望远镜，其设计直接决定成像性能。理解光阑的作用机制，有助于优化设备设计（如选择最佳F数）或提升拍摄技巧（如利用景深创造艺术效果）。未来随着计算光学发展，动态可调光阑（如液晶光圈）或将为自适应光学开辟新可能。