第四章：几何光学基础（三）——光阑与孔径、视场与像面、主光线与边缘光线、光学系统的分类

各位同学，欢迎来到第四讲。前几节课我们聊了光线传播的基本定律，也讲了近轴光学里的那些理想成像关系。今天我们要进入一个更“实战”的环节——光阑、孔径、视场，还有主光线和边缘光线。

说实话，这些概念在课本上看起来就是几个定义，背一背就过去了。但我做镜头设计这么多年，发现很多新手工程师出问题，恰恰就出在对这几个概念的理解不够“透”。你想想看，一个镜头能不能用，好不好用，很大程度上就取决于你怎么定义光阑、怎么控制视场。

好，我们一个一个来拆解。

4.1 光阑与孔径——镜头的“瞳孔”

什么叫光阑？说白了，就是镜头里限制光束通过的“门”。你可以把它想象成人的瞳孔——光线暗了，瞳孔放大；光线强了，瞳孔缩小。镜头里的光阑，作用类似。

但光阑不止一个。一个镜头里可能有多个光阑，比如镜片边缘、镜筒内壁，甚至专门加的一个可调光圈。其中最重要的那个，叫孔径光阑。

我记得刚入行那会儿，带我的老师傅跟我说：“小张，你记住，孔径光阑的位置选不好，整个镜头的像差就崩了。”当时我不太理解，后来自己设计一个双高斯镜头，把光阑放在镜组中间偏前了一点，结果球差和彗差怎么都校正不回来。折腾了两周，最后把光阑往后移了2毫米，问题就解决了。嗯，从那以后，我再也不敢小看光阑位置的选择。

除了孔径光阑，还有视场光阑和消杂光光阑。视场光阑决定你能看到多大的范围，消杂光光阑则是用来挡掉那些不该进入像面的杂散光。

光阑类型	作用	典型位置
孔径光阑	控制光束粗细，决定F数	镜组中间或镜片之间
视场光阑	控制成像范围	像面附近或中间像面
消杂光光阑	阻挡非成像光线	镜筒内壁或镜片边缘

4.2 视场与像面——你能看到多大、多清楚

视场，就是镜头能看到的范围。通常用角度来表示，比如“对角线视场角60°”。视场越大，你看到的场景就越广，但边缘的像质往往也越差。

这里有个常见的误区：很多人以为视场只跟焦距有关。其实不然。视场由焦距和像面尺寸共同决定。同样的焦距，像面越大，视场就越大。这也是为什么全画幅相机比APS-C相机视野更广——像面大了嘛。

像面，就是光线最终汇聚成像的那个平面。对于相机来说，就是传感器表面；对于投影镜头，就是屏幕或DMD芯片表面。

我个人习惯在设计初期就先把像面尺寸定死。为什么？因为像面定了，视场角、焦距、F数这些参数才能跟着定下来。否则你后面改来改去，全是白费功夫。

4.3 主光线与边缘光线——追迹光线的“两条腿”

做光学设计，追迹光线是基本功。而所有光线里，有两条最重要：主光线和边缘光线。

主光线：从物面边缘出发，穿过孔径光阑中心的那条光线。它决定了像的大小和位置。说白了，主光线告诉你“像落在哪儿”。

边缘光线：从物面中心出发，刚好擦过孔径光阑边缘的那条光线。它决定了光束的粗细，也就是F数。

为什么要区分这两条光线？因为它们在像差校正里扮演的角色完全不同。主光线主要影响畸变和倍率色差，边缘光线主要影响球差和轴向色差。

我记得有一次做一款广角镜头，畸变怎么都压不下来。后来一查，是主光线的入射角度太大，导致光线在镜片上的折射角过大。我调整了光阑位置，让主光线更“正”一些，畸变就下来了。你看，这就是主光线的作用。

4.4 光学系统的分类——别把镜头都叫“镜头”

光学系统有很多种分类方式。按功能分，有成像系统和非成像系统。按结构分，有折射式、反射式、折反式。按用途分，有摄影镜头、投影镜头、显微物镜、望远物镜等等。

我简单列一下常见的分类，大家有个印象就行：

• 按像差校正程度：消色差、复消色差、平场消色差等
• 按视场大小：广角、标准、长焦
• 按孔径大小：大光圈、小光圈
• 按结构形式：双高斯、天塞、库克三片、反远距等

每种分类背后，其实都对应着不同的设计思路和约束条件。比如广角镜头，你就要重点考虑畸变和像散；长焦镜头，则要重点考虑色差和球差。

我个人建议初学者先从“双高斯”结构入手。为什么？因为双高斯结构对称性好，像差容易校正，而且应用范围广——从相机镜头到投影镜头都能见到它的身影。我当年第一个独立设计的镜头就是双高斯，虽然最后性能一般，但那个过程让我把光阑、视场、主光线这些概念彻底搞明白了。

4.5 知识体系框架

下面这张图，是我自己总结的本章知识体系。你可以把它当作一个“地图”，学完这一章后，对照着看看自己有没有遗漏的地方。

好了，这一章的内容就到这里。光阑、视场、主光线、边缘光线，这四个概念是几何光学的“四梁八柱”。你把这四个东西搞清楚了，后面学像差、学优化、学公差，都会轻松很多。

记住我一句话：设计镜头，本质上就是在跟光阑和视场“博弈”。你控制好了它们，镜头就成功了一半。

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