定制光阑工业镜头 【视觉知识】浅谈可变光阑机构的设计

【视觉知识】浅谈可变光阑机构的设计

浅谈可变光阑机构的设计

可变光阑是镜头的一个重要机构，它主要用来控制通过光学系统的光通量，改变像面的照度，控制曝光时间，适应于各种亮度的情况下拍摄，从而获得更好的清晰度。

具体结构见图1，光阑片5的一端铆有光阑铆钉2，它插在光阑固定环6的孔内，光阑片另一端的背面也铆有光阑铆钉，它在光阑转环3的槽内移动，当转动光阑手轮7时，通过光阑拨钉4，使光阑转环转动时，就推动光阑片上的铆钉，光阑片则以装入固定环的铆钉为旋转轴摆动，光阑孔随着光阑手轮转动而改变其直径，由大到小，反之由小到大。

图1

1--后主体；2--光阑铆钉；3--光阑转环；4--光阑拨钉；

5--光阑片；6--光阑固定环；7--光阑手轮

根据光学系统的最大光孔直径和相对孔径系列可设计可变光阑形状和尺寸及光阑手轮相对各级光孔的刻度标志。

光阑片一般可以设计成单圆弧、双圆弧和等转角可变光阑。在有些情况下，也可以通过作图法设计或直接查表。但是，按查表画出的光阑片是一种最窄的极限状态，这种光阑片数量多，加工和装配都很不方便。

实际上，一般镜头结构允许光阑片有较大的外径。在这种情况下，加宽光阑片，就可以减少光阑片片数。因此，必须修正选取的光阑片，用查表和作图相结合的办法，很快就会求出减少后的光阑片的片数。

具体作法如图2（以最大光孔2Pn=20mm为例）:

(1) 首先按最大光孔查表，确定rm=10mm；ω=135°，如图2(a)，(D0=28mm，y=30°，N=12为参考)；

(2) 按镜头实际尺寸确定最大外径，D0=40mm，rm不变，ω不变,画一光阑片，光阑钉在两圆中心圆上，如图2(b)；

图2

(3) 再画一固定环，外径与D0相同，内径与rm相同，光阑钉在两圆中心圆上，假设取60°，先画出两光阑钉的位置，如图2(c)；

(4) 在固定环中心画一最小光孔，让光阑片绕第一个固定钉转动至最小光孔位置，画出其位置轮廓线，再把光阑片放在y=60°的位置上，绕第二个固定钉转动至最小光孔位置上，再画出光阑片的轮廓线，如图2(e)，比较光阑片的两个位置；如果在最大光孔内没有漏光，即为成功；根据γ=60°N取6片即可；

(5) 若有漏光，如图3(黑色处)，就重新选取或缩小角，或增大光阑片宽度；

图3

相对孔径系列是以一比根号二为公比的等比级数关系变化（如表1）。

表1

由相对孔径系列及最大光孔直径可按下式求出各级光孔直径：

式中：

D0为最大光孔直径

F0为最大光孔直径的F数

Dn为各级光孔直径

Fn为各级光孔所对应F数

相对孔径数值的分母，刻制在光阑手轮7上（见图1）。

相对孔径数值一般标注两：一种是“F”制，一种是“T”制。“T”制光圈考虑了光线通过光学系统的损失，像面实际得到的光能量，因此，“T”制较之“F”制更准确、可靠。

【来源：光虎光学内部培训资料】

【视觉知识】远心镜头中的光阑

远心镜头中的光阑

定义及分类

通常在光学系统中，总会发现一个圆孔的金属件，这些圆孔合理地限制了成像光线的光束宽度和视野范围，这类光学零件称为光阑。光阑主要分为两类：限制进入光学系统的成像光束宽度的光阑称为孔径光阑；限制光学系统成像视野范围的，常安置在物平面或像平面的光阑称为视场光阑。另外，除此之外还有一些用于优化成像的特殊光阑：消杂光光阑及渐晕光阑，作用是消除渐晕现象及消除杂散光。

作用一

首先孔径光阑的作用是限制光束口径，由于光学系统不可能对某一点或物发出的光都可以在镜头中完善成像，所以需要孔径光阑控制光束宽度，但参与成像的光束宽度过小，又会使系统分辨物体细节的能力与成像亮度直接下降，所以选取一个合适的孔径光阑的大小影响一个镜头的好坏。值得注意的是，此时是对某一个物体成像。当物体位置发生改变，孔径光阑的限制作用也会发生变化，或失去限制作用。

此外，随着孔径光阑位置的不同，轴外发出的光束，进入系统参与成像的光束也不同。如图1所示，当光阑在A、B、C三个不同位置时，成像所进入系统的光线是方向和宽度不同的。

作用二

孔径光阑在光学系统中的另一个作用，就是关于出瞳和入瞳。光阑经其前面的光学系统所成的像称为入射光瞳，光阑经其后面的光学系统所成的像称为出射光瞳。很显然，孔径光阑，出瞳，入瞳为物像关系。如图2所示，光阑经过透镜成像，反向延长得到的像即为光瞳。

出入瞳在不同类型光学系统中，安放原则是不同的。比如在多个光学系统衔接时，有一个重要原则：前一个光学系统的出瞳与后一个光学系统的入瞳重合。如，在目视光学仪器中，出瞳位置必须在系统以外的一个地方，以便与人眼入瞳重合。再比如回到远心镜头中，远心镜头的成像原理就是利用设定孔径光阑位置与前或后镜组的焦平面重合，这样使其经前或后光学系统所成像的光阑位于无穷远的位置，这时，物体进入光学系统成像时，就要经过无穷远点的入瞳，实现了如图3所示的远心光路图。

控制成像视野的光阑称为视场光阑。视场光阑通过前光学系统所成的像称为入射窗，经后光学系统所城的像称为出射窗。视场光阑的作用和影响力要远小于孔径光阑。

【来源：光虎光学内部培训资料】

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