什么叫视场光阑?什么叫入射窗和出射窗?

什么叫视场光阑?什么叫入射窗和出射窗?
1.什么叫主光线?

孔径光阑能限制轴上点成像光束的大小,同时它对摄影镜头的聚光本领及景深等都有重要作用;对轴外点的光束也有限制作用,但它不能限制轴外点的范围。根据高斯光学中,近轴物在近轴光线条件下,能成理想像。但物点距轴越远,光束越宽所成的像对理想像偏离越大。为了获得清晰像,对景物的范围必须加以限制。用来限制被摄物平面范围的通光孔叫做视场光阑。如图2-60所示,入瞳和出瞳中心O与O′对整个光具组是共轭的,为方便起见光具组及孔径光阑都没画出,若入射线通过O,则出射线必通过O′。A是轴外一物点,与像平面上A′共轭。在以轴外点A与A′为顶点的光束中,通过O和O′的那对共轭光线AO和A′O′分别叫做物方和像方主光线。

2.什么叫视场光阑?

如上图所示可知:随着A和A′点离主光轴距离的增加,主光线通过镜头时就会与某个通光孔的边缘相遇,离光轴更远的共轭点,它们的主光线就会被这个光孔遮断,这样的通光孔就叫做视场光阑。

3.什么叫视场?

如图2-60所示,被通过视场光阑边缘的主光线AO和A′O′所限定的物平面和像平面的范围,分别叫做物方视场和像方视场,当被摄物体离镜头为有限远时,常用物高表示视场的大小,在摄影中常把胶片景像所包括原面积叫做镜头的视场,一般多用能成清晰像的底片尺寸来表示视场。将视场边缘(底片边缘)跟镜头的后节点(通常跟后主点及出瞳中心重合)形成的夹角叫视场角。当被援物体在无限远时,常以视场角的大小表示视场。

4.什么叫视场角?

如图2-60所示,被过视场光阑边缘的主光线AO和A′O′所限定的空间立体角2ω和2ω′分别叫做物方视场角和像方视场角。在摄影中将像方视场边缘与镜头的后节点所形成的夹角叫视场角,两者是统一的。
因为镜头大都是对称或亚对称型结构,又置于空气中,故后节点跟出瞳中心是重合的。在摄影中又常把视场角分为:对角线视场角、水平视场角和垂直视场角。

①什么叫对角线视场角?如图2-61所示,底片画幅对角线对摄影镜头像方节点的张角叫做对角线视场角。若画幅对角线长为l,后节点为k′,后焦距为f′,对角线视场角2ω′的表示式为

2w¢=2tg -1l   (2-49)     2f ¢                  
②什么叫水平视场角和垂直视场角?

如图2-62所示,设置于空气中镜头后焦距为f′,后节点为k′;画幅水平宽度为a,垂直高度为h。水平视场角是画幅上过主轴的水平线两端对后节点的张角以2ω′表示,则:

2w¢=2tg -1b   (2-50)     2f ¢                  
垂直视场角是画幅上过主轴垂直线两端对后节点的张角,以2ω′表示,则:

2w¢=2tg -1h   (2-51)     2f ¢                  
通常摄影镜头的对角线视场角,水平视场角和垂直视场角都是已知的。因此拍摄前就可以估算出欲拍摄处多大范围的景物可以收进画幅内。

例:已知普通135相机的镜头基焦距为50mm,调焦平面的物距为2m,求该镜头的水平视场角和垂直视场角及调焦平面处所能拍摄下的景物范围:水平宽度和垂直高度。根据(2-50)及(2-51)式求得2ω'=39°35′;2ω′=26°59′,根据节点的性质(过两个节点的共轭线平行)可知,物高对物方节点的张角等于像方垂直视场角;物方水平视场角等于像方水平视场角及上边的计算结果,从式(2-50)中解出b,从式(2-51)中解出h。故物高=0.96m,物宽=1.44m。5.什么叫入射窗和出射窗?

摄影镜头中通常都特设一个视场光阑。视场光阑对它前边的透镜组在物空间成的像称为入射窗;对它后边的透镜组在像空间成的像称为出射窗,因此视场光阑跟入射窗对其前边透镜组而言是共轭的;对其后边透镜组则它与出射窗共轭;对整个镜头来说,入射窗和出射窗是共轭的。引入窗的意义在于配合光瞳确定镜头的视场角。

摄影镜头中的孔径光阑通常都设在镜片中间,而视场光阑常设在像平面上,如图2-63所示。

此图为照相机光学结构示意图,为简单起见以一个薄透镜表示镜头,则透镜的边框就是孔径光阑兼入瞳和出瞳;视场光阑就是像平面上的底片架的内边框,它后边没有透镜,故它本身即是视场光阑又是射窗,它对前边透镜的共轭像即入射窗(必然在物平面内)。

从图可见,用瞳和窗确定视场角是很方便的。入射窗的边缘对入瞳
中心O的张角2ω即为物方视场角,出射窗边缘对出瞳中心O′的张角便是像方视场角。

6.什么叫渐景?

以上讨论的前提是在入瞳非常小的条件下,由入射窗的大小就可以完全确定摄影镜头的成像范围。但当入瞳有一定大小时,入射窗就不能完全确定视场了。又因为入瞳跟出瞳对整个镜头是共轭的,故通过入瞳的光束也一定能通过出瞳;入射窗跟出射窗对整个镜头也是共轭的,所以能通过入射窗的光束也必然能通过出射窗。为简化问题,我们只分析物空间的光束限制情况,如图2-64所示。图中略去了镜片组,只示出了入瞳O1-O-O2、入射窗N1-N-N2及物平面。以物平面上点为顶点的光束,只有同时通过窗和瞳的部分才能到像平面参与成像。在物平面上按其成像光束孔径不同可分成三个区域。

①图中所示是以P1P为半径,以P点为圆心的半圆形区(半视场),

在这个区域内每一个点都以充满入瞳的全部光束成像。其对应的是像方画幅中心部分,像最清晰。这区域边缘点P1是由入瞳下边缘O2跟入射窗下边缘N2的连线决定的。

②第二个区域是以P点为圆心,分别以PP1和PP2为半径的半环形区域,这个区域中的各点已经不能用充满入瞳的光束成像。这个区域P2为边缘点,它是由入瞳中心O及入射窗下边缘N2连线决定的。在会轴面内考查光束,由P1~P2区域内的各点,能通过入瞳的光束截面积由100%~50%,不过是逐渐减小的,对应的像面是逐渐变暗的,这种现象叫做渐景。

③第三个区域是以P2P3绕光轴旋转一周的环形区域,P3点是由入瞳上边缘O1跟入射窗下边缘N2连线决定的,在这个区域内,渐晕程序由50%~0,P3以下各点的光束根本不能达到像平面,故不能成像,P3是能成像的最边缘点,对应的像点最暗。

如果入瞳为无限小时,入射窗边缘对入瞳中心的张角所限定物平面的范围就是物方视场,就是图中的P2(视场边缘点)点限定的区域;但是当入瞳有一定大小时,P2点以外的一些点,虽然其主光线被入射窗拦

阻不能通过,但光束中还有主光线以上的一小部分光线可以通过入射窗,被系统成像,故成像范围扩大了。图中P3点才是被系统成像的最边缘点,因由P3点发出的充满入瞳的光束中还有最上面一条光线能通过入

射窗。
实际由P1至P3的渐晕是逐渐变化的,本来没有明显界限,所以上述区域的划分是人为的。

光束是光能的载体,通过的光束越宽,它所携带的光能就越多,故与第一个区域共轭的像面照度最大且均匀;从第二个区域开始对应的像面上的照度逐渐由100%降为0。7.光阑的位置跟摄影镜头的孔径有什么关系?如图2-65所示,当对焦平面也就是被摄物体PQ跟镜头l的位置一定时,光阑处于1或2不同位置时,对应的镜组l的孔径是不同的。光学系统中的光阑位置原则上是可以任选的,但须要选取恰当的位
置,才能改善轴外点成像质量。就轴外点宽光束而言,光阑位置不同,就等于在光束中选择不同部分的光束参与成像,即可以选择成像质量较好的那部分光束。如图所示,光阑位于1时,轴外点Q以光束QM1N1成像;光阑位于2时,轴外点Q以光束QM2N2成像,故可挡住成像质量差的部分光束。

当改变光阑位置时,如果也相应的改变通光孔的大小,以保持轴上点孔径角不变。在保证成像质量前提下,合理选择光阑位置,就能使整个镜头系统零件尺寸减小,系统结构匀称。由图可见,光阑在位置2时比在位置1时所需透镜孔径要小。

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