在光学设计中，光阑是一个核心的概念，这个概念的定义又比较抽象。在最近和同学们的交流中，我发现有的同学们对光阑的理解还是不够到位，本文将通过一个小问题的仿真和分析再次尝试让大家加深对基本概念的理解，希望能对实际的工作和学习有所帮助。
为了直观说明这个问题，这里直接给大家看一下实际仿真出来的结果是什么状况。
我们直接打开一个Zemax软件中自带的双高斯镜头案例，默认位置在文档\Zemax\Samples\Sequential\Objectives。打开后我们可以先看一下这个镜头的特点，焦距100mm，F数为3，视场对应的最大像高为24.5mm，孔径光阑在中间的近似对称位置。![]()
我们可以把所有的透镜口径改为恒定，同时保持F数不变，首先我们先来看一下中心视场的MTF曲线。
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进一步的，我们可以改变孔径光阑的位置，把孔径光阑分别设置在第一片透镜和最后一片透镜上，此时我们可以再来看一下光路和MTF曲线的情况。由于我把透镜的口径固定下来了，光学系统其他元件的形状没有发生变化。从下面的两张图里我们可以得到结论，若F数恒定（或者也可以说入瞳直径恒定）孔径光阑位置对于轴上视场没有任何影响。![]()
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为什么光阑位置不影响轴上视场的光线呢，其实这个问题考察的就是大家对于光阑定义的理解。我们假设是物平面就是一个朗伯光源，物平面上任意一点都在向外发射光线，对于中心视场和边缘视场，都只有一定锥形范围内的光线可以进入光学系统。简单来说，孔径光阑限制的是物面发出的光线里面，那些可以进入我们的光学系统。
对于轴上视场，如果F数恒定，则不论我们把光阑位置移到哪里，进入光学系统的光线都是那些。为了更清楚地说明，下面我再用理想透镜仿真一下这个事情，假设F数是3，光学系统由两片透镜组成，物体在150mm处，我分别把光阑设置在第一片透镜和第二片透镜上，效果如下。
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上面反应的正是孔径光阑的物理意义，也反映了为什么球差和孔径光阑位置无关。出瞳入瞳和孔径光阑直接本来是共轭关系，因此一个光学系统的相对口径不论我们用F数/入瞳直径/所口径浮动等方式定义，只要相对口径大小不变，这些定义方式都是等价的。对于轴外视场的光线，孔径光阑的位置则会影响具体哪些光线可以进入镜头，因此彗差像散等其他像差均和孔径位置有关。
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通过对成像物镜的仿真分析，我们深入探讨了光阑在光学设计中的核心作用。通过改变孔径光阑的位置并观察其对MTF曲线的影响，我们验证了在轴上视场中，光阑的位置对成像质量没有显著影响，只要F数保持不变。
进一步地，通过对理想透镜的仿真，我们明确了光阑的物理意义及其与球差无关的原因。光阑的位置与出瞳、入瞳之间的共轭关系，确保了光学系统的相对口径在不同定义方式下的一致性。然而，对于轴外视场，光阑的位置会显著影响进入镜头的光线，从而影响彗差、像散等像差的表现。
综上所述，光阑在光学设计中扮演着至关重要的角色，其位置和大小直接关系到成像系统的性能。理解光阑的物理意义和其在不同视场中的作用，对于优化光学系统设计、提高成像质量具有重要意义。希望本文的探讨能够帮助读者加深对光阑概念的理解，并在实际工作中加以应用。
使用Zemax仿真贝塞尔光束
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