本章在解决什么问题？
即使第二章已算准像的位置，任意大的光束也不可能穿过有限尺寸的镜片。选择哪束光通过，会同时改变图像的亮度、边缘清晰度、仪器尺寸与调焦容忍度。本章的核心不是背诵光阑名称，而是从一束实际光线出发判断“谁挡住了它”。
学习顺序：先识别限制光束的物理边框，再把它通过前后光学系统成像为光瞳或窗，最后用主光线、边缘光线计算口径和景深。
4.1 光阑：同是一个孔，限制对象不同
孔径光阑限制轴上物点的光束宽度，也选择轴外物点参与成像的那部分光束；视场光阑限制可成像的物面或像面范围。镜片的边框、光圈叶片、底片或传感器的边缘，都可能起光阑作用。名称取决于它在整个系统中的实际限制作用，而不是零件的外观。
| 先问什么 | 对应元件 | 把它成像后叫什么 |
|---|---|---|
| 轴上物点的哪条边缘光线最先被挡？ | 孔径光阑 | 前部光学系统形成入瞳；后部形成出瞳 |
| 哪一物点或像点刚好落在可见范围边缘？ | 视场光阑 | 前部形成入射窗；后部形成出射窗 |
孔径光阑、入瞳和出瞳是一组物像关系；视场光阑、入射窗和出射窗是另一组。若光阑位于系统最前方，入瞳与它重合；若在最后方，出瞳与它重合。主光线经过孔径光阑中心，边缘光线触及其边缘。
从确定的轴上物点追一条任意近轴光线，比较它在每个候选边框上的高度与该处半口径之比；比值最大者先截住光线。物距改变时，这个赢家也可能改变。
实验 A · 移动孔径光阑
轴外主光线走哪儿？模型：远物、焦距 100 mm 的薄透镜，像面在后焦平面；调节光阑相对透镜的位置。黄色是视场边缘光束，青色是轴上光束。
这是近轴薄透镜的主截面模型；画线和口径计算忽略像差、厚镜片及真实机械遮挡。像面框控制视场，孔径光阑控制各物点光束宽度。
4.2 照相系统：为什么边缘会变暗？
在教材的简化照相系统中，可变光圈是孔径光阑，底片框是视场光阑；对数码相机，传感器有效区域承担相似的视场限制。收小光圈使轴上束更窄，像面照度随之降低；但把同一个光圈前后移动，还会使轴外主光线落在镜片的不同高度，从而改变镜片所需通光口径及轴外像差。
如果镜片边框额外截去轴外束的一部分，边缘获得的光束比轴上窄，形成机械渐晕。教材用子午截面中的束宽定义：
要让一个元件通过轴上边缘光线和最大视场主光线，常用粗略口径估算 D通 ≈ 2(h+|hz|)，其中 h 是该处轴上边缘光线高度，hz 是最大视场主光线高度。真实口径还要加制造与装配余量，并逐面检查。实验 A 显示：光阑移到透镜附近，所需透镜口径通常较小；具体系统仍要同时满足像差和机械结构要求。
一个容易混淆的判断
“视场边缘暗”不一定只由孔径光阑导致。孔径光阑决定基准束宽，镜片边框或镜筒可能再截去轴外部分；后者才是这个模型中的渐晕光阑。还要把机械渐晕与自然照度衰减、探测器角度响应等其他原因分开。
4.3 望远镜：让出瞳真正“接上”眼睛
望远镜与眼睛串接时，前一系统的出瞳应尽量和眼睛的入瞳重合，否则部分光线会被眼睛截去。出瞳直径影响可送入眼睛的光束；出瞳距是出瞳离目镜最后表面的距离，决定眼睛能否舒服地放在正确位置。
教材给出双目望远镜示例：物镜焦距 108 mm、目镜焦距 18 mm、倍率绝对值 6、出瞳直径 5 mm、全视场 8°30′。若孔径光阑取物镜框，近轴估算入瞳直径约 30 mm，一次实像面的视场半径约 8.0 mm，出瞳距约 21 mm。分划板框限制视场。物镜框附近选择孔径光阑，可在该示例中降低所需物镜直径。
y视场 ≈ f′物 tan ω 无焦开普勒望远镜、近轴薄透镜模型；ω 是物方半视场角。这里的出瞳距还取决于孔径光阑位置与具体目镜结构。
实验 B · 光瞳衔接
把眼睛放到出瞳处重叠比例是假设光瞳均匀照明、眼睛恰好位于出瞳平面时的几何近似；实际视场、像差与角度响应还会影响观感。
4.4 显微镜：远心光路与场镜各管一件事
普通显微镜常由物镜框限制孔径，由一次实像面附近的分划板框限制视场。测量显微镜还有更严格的要求：物体轻微偏离设计物面时，虽然像会离焦，读出的尺寸却不希望随之改变。
| 措施 | 放在哪里 | 主要解决的问题 |
|---|---|---|
| 物方远心光路 | 把孔径光阑放在物镜的像方焦平面 | 入瞳位于无穷远，物方主光线平行光轴；小幅物距变化时，离焦斑中心的位置近似不变，降低由调焦误差引起的倍率测量误差 |
| 场镜 | 放在一次实像面或其附近 | 改变轴外主光线方向，把前一系统的瞳成像到后续系统需要的位置，减小长光路中转像透镜和目镜的口径 |
物方远心使主光线的物方方向固定，主要抑制因物距偏差引起的尺寸读数变化；离焦弥散斑仍会扩大。场镜也不是替代物镜的主要成像透镜，它主要重新安排光瞳和轴外光束。
设计长光路显微镜时，可用一组 −1× 转像透镜延长光路，再用场镜把物镜的出瞳传递到转像透镜附近。这样后续元件不用为偏离光轴很远的主光线预留过大直径。原书还指出，望远系统也可按相同的光瞳衔接原则使用场镜。
4.5 景深：先定义“可接受的清晰”
理想成像只让一个物平面精确落在选定像面。其他距离的物点会在固定像面形成弥散斑；若斑足够小，观察或记录时仍可视为清晰。最近与最远的合格物平面之间的物方距离范围就是景深。景深必须连同允许弥散斑的标准一起说明，它不是镜头自身唯一不变的数。
教材先以正确透视距离观看照片为条件，把眼睛允许的角弥散 ε 映射到对准平面的允许斑径 z = pε。令 D 为入瞳直径、p 为从入瞳到对准平面的正距离，可得以下便于计算的正距离写法：
p远 = Dp/(D−pε) （D > pε）
当 D ≤ pε 时，远景延伸到无穷远。 这是教材式（4-4）至（4-6）的正距离重写；假设几何近轴光线、固定入瞳、同一允许角弥散与正确透视观看条件。ε 必须用弧度。
于是远景深度通常比近景深度大。临界对焦距离 H = D/ε：对焦在 H 时，近界约 H/2，远界到无穷远；若对焦在无穷远，近界则是 H。这里 H 是该观察标准下的超焦距，不要和接下来以传感器允许斑径定义的近似超焦距混用。
复算教材例子
D = 10 mm，ε = 1′ ≈ 0.00029 rad，则 H ≈ 34.5 m。对焦在 10 m 时，近界约 7.75 m、远界约 14.08 m；对焦在 H 时，近界约 17.25 m、远界到无穷远。收小入瞳会扩大这个几何景深，但通光量下降、衍射影响可能上升。
4.6 数码相机：为什么短焦镜头看起来“景深大”？
教材用一台早期 VGA 相机说明：焦距 f′ = 4.8 mm、光圈数 N = 2、像素间距 7.5 μm。传感器若放在无限远的理想像面，约 1 m 处物点的几何离焦斑直径为 11.5 μm；若改为对焦 1 m，近处与远处的斑径分布会改变。教材以当时的显示和像素条件说明某些斑仍可接受。
若两套镜头保持相同的光圈数、视场角和允许角弥散 c/f′，则在这种比较条件下，达到相同模糊程度的物距约随焦距成比例。较短焦距可得到更近的清晰近界。换相机、换输出尺寸、换观看距离或改变允许斑径，结论的数值也会改变。
实验 C · 改变对焦与清晰判据
模糊是连续量，边界是约定图中物距轴按对数压缩。计算基于薄透镜和几何光学，忽略衍射、像差、传感器处理与展示放大；不要把输入的允许斑径当作所有设备通用的标准。
自测：能否从光线找到真正的限制？
先预测，再选择答案；每题会显示判断依据。
离开第四章前的五个检查点
- 面对一个镜片组，能区分孔径光阑与视场光阑，并解释入瞳、出瞳与入射窗、出射窗。
- 能画主光线与边缘光线，判断光阑位置如何影响轴外光束和渐晕。
- 能说明望远镜的出瞳为何要与眼瞳衔接，读懂教材的 6×、30 mm、5 mm 示例。
- 能解释物方远心光路与场镜的不同用途。
- 能先说清允许弥散斑，再计算景深；比较相机时说明固定了哪些条件。