來源 | 小小光081. 光闌與光瞳 任何實際光學系統中都有一個孔徑光闌,簡稱光闌(Stop),它限制了入射光束的孔徑。在簡單透鏡成像的情況下,透鏡的鏡框充當孔徑光闌。孔徑光闌通過它前面的光學系統所成的像稱為入瞳(EntrancePupil),通過它后面的光學系統所成的像稱為出瞳(Exit Pupil)。
由幾何光學可知,凡是通過入瞳的光束,將通過光闌和出瞳。換言之,入瞳和出瞳就是整個光學系統的物和像,二者共軛。在物空間,入瞳的作用是限制入射光束的寬度。在像空間,出瞳的作用是限制出射光束的寬度。在物空間看不到光闌,只能看到入瞳;在像空間只看到出瞳。而實際上限制光束的卻是光闌。在實際光學系統中,入瞳、光闌和出瞳的位置沒有固定的順序,孔徑光闌也可能和入瞳或出瞳重合。 2. 光闌的直徑與彌散
假設光闌是圓形的。當光闌直徑增大時,入射光束的孔徑角u、出射光束的孔徑角u′也隨之增大,較大孔徑的光束傳遞了更豐富的高頻信息,像面的照度也會增大。例如,一個雙膠合準直鏡,光闌在第一面,與入瞳重合,如下圖所示:
雙膠合準直鏡的輸入光束直徑和彌散斑的RMS半徑的關系
2h/mmSPT0/umSPT0.7/umSPT1/um
9.016.115.33
7.54.23.74.0
6.00.91.43.8
4.50.51.13.1
如上表所示,準直光束焦斑(像)的彌散隨光闌直徑增大而增大,像質變差,必須取一個恰當的中間值來兼顧信息量、像的照度和像質。 3. 光闌的位置與漸暈
在光學系統中,光闌的位置嚴重影響了軸外視場的光學性能。例如,一個典型的柯克三片式物鏡,當光闌位于第二、第三透鏡之間,軸上、軸外像差都校正得很好;如果將光闌移到第一、第二透鏡之間,這時對軸上光束沒有影響,但軸外光束變化很大,彌散也顯著加大了;當光闌移到第一透鏡前時,軸上光束仍無變化,但軸外視場光束不但彌散更大,而且邊緣光束被第三透鏡攔掉,形成漸暈(Vignetting),如下圖所示:
所謂漸暈,就是大視場的部分光束被鏡框(或專門設置的光闌)遮擋。大視場的照度本來就低,漸暈使大視場的照度進一步降低。在光學設計中,要審慎地安排光闌的位置,盡量使光闌位于系統對稱中心附近。但,漸暈也有積極的作用。許多廣角物鏡大視場大孔徑光線的像差很大,恰當利用攔光,雖然照度受到一些影響,但像質有所提高。
4. 光闌像差和光線對準操作 光闌在物空間的像---入瞳的作用是限制入射光束的寬度,光闌在像空間的像---出瞳的作用是限制出射光束的寬度。ZEMAX在傍軸光學近似下計算光闌通過它前方的透鏡所成的像,即入瞳,并利用入瞳來排布進入系統的光線。既然光闌和入瞳之間是成像的關系,必然也有像差,稱為光闌像差。
光闌像差主要體現在入瞳位置和入瞳形狀均可能有誤差,這樣一來,通過入瞳進入系統的光線未必恰好充滿光闌,就導致像差計算的偏差。在“慢系統”(Slow System,即小相對孔徑系統)和適度的視場角(Modest Field Angle,即中小視場角)的情況下,光闌像差的影響不大。但是“快系統”(Fast System,即大相對孔徑、大視場系統)光闌像差的影響就不可忽略了。 ZEMAX中Ray Aiming(光線對準)有三個選項:Off:忽略光闌像差;Paraxial:校正初級光闌像差;Real:完全校正光闌像差。
校正光闌像差后確保進入系統入瞳的光束充滿光闌并均勻分布。由于校正光闌像差是通過逐次插值迭代完成的,很費時。通常在大相對孔徑、大視場角的情況下,選擇使用Real校正,一般場合使用Paraxial就可以了。另外,在由多個組件構成的長系統中,比如投影物鏡、顯微鏡系統,光闌像差可能導致光線逸出系統,此時也要使用Paraxial或Real校正。
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原文標題:光學知識——光闌漸暈、光闌像差與光線對準
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