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光学知识之光阑渐晕、光阑像差与光线对准

来源 | 小小光081. 光阑与光瞳 任何实际光学系统中都有一个孔径光阑,简称光阑(Stop),它限制了入射光束的孔径。在简单透镜成像的情况下,透镜的镜框充当孔径光阑。孔径光阑通过它前面的光学系统所成的像称为入瞳(EntrancePupil),通过它后面的光学系统所成的像称为出瞳(Exit Pupil)。

由几何光学可知,凡是通过入瞳的光束,将通过光阑和出瞳。换言之,入瞳和出瞳就是整个光学系统的物和像,二者共轭。在物空间,入瞳的作用是限制入射光束的宽度。在像空间,出瞳的作用是限制出射光束的宽度。在物空间看不到光阑,只能看到入瞳;在像空间只看到出瞳。而实际上限制光束的却是光阑。在实际光学系统中,入瞳、光阑和出瞳的位置没有固定的顺序,孔径光阑也可能和入瞳或出瞳重合。 2. 光阑的直径与弥散

假设光阑是圆形的。当光阑直径增大时,入射光束的孔径角u、出射光束的孔径角u′也随之增大,较大孔径的光束传递了更丰富的高频信息,像面的照度也会增大。例如,一个双胶合准直镜,光阑在第一面,与入瞳重合,如下图所示:

光学知识之光阑渐晕、光阑像差与光线对准

双胶合准直镜的输入光束直径和弥散斑的RMS半径的关系

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,准直光束焦斑(像)的弥散随光阑直径增大而增大,像质变差,必须取一个恰当的中间值来兼顾信息量、像的照度和像质。 3. 光阑的位置与渐晕

在光学系统中,光阑的位置严重影响了轴外视场的光学性能。例如,一个典型的柯克三片式物镜,当光阑位于第二、第三透镜之间,轴上、轴外像差都校正得很好;如果将光阑移到第一、第二透镜之间,这时对轴上光束没有影响,但轴外光束变化很大,弥散也显著加大了;当光阑移到第一透镜前时,轴上光束仍无变化,但轴外视场光束不但弥散更大,而且边缘光束被第三透镜拦掉,形成渐晕(Vignetting),如下图所示:

光学知识之光阑渐晕、光阑像差与光线对准

所谓渐晕,就是大视场的部分光束被镜框(或专门设置的光阑)遮挡。大视场的照度本来就低,渐晕使大视场的照度进一步降低。在光学设计中,要审慎地安排光阑的位置,尽量使光阑位于系统对称中心附近。但,渐晕也有积极的作用。许多广角物镜大视场大孔径光线的像差很大,恰当利用拦光,虽然照度受到一些影响,但像质有所提高。

4. 光阑像差和光线对准操作 光阑在物空间的像—入瞳的作用是限制入射光束的宽度,光阑在像空间的像—出瞳的作用是限制出射光束的宽度。ZEMAX在傍轴光学近似下计算光阑通过它前方的透镜所成的像,即入瞳,并利用入瞳来排布进入系统的光线。既然光阑和入瞳之间是成像的关系,必然也有像差,称为光阑像差。

光阑像差主要体现在入瞳位置和入瞳形状均可能有误差,这样一来,通过入瞳进入系统的光线未必恰好充满光阑,就导致像差计算的偏差。在“慢系统”(Slow System,即小相对孔径系统)和适度的视场角(Modest Field Angle,即中小视场角)的情况下,光阑像差的影响不大。但是“快系统”(Fast System,即大相对孔径、大视场系统)光阑像差的影响就不可忽略了。 ZEMAX中Ray Aiming(光线对准)有三个选项:Off:忽略光阑像差;Paraxial:校正初级光阑像差;Real:完全校正光阑像差。

校正光阑像差后确保进入系统入瞳的光束充满光阑并均匀分布。由于校正光阑像差是通过逐次插值迭代完成的,很费时。通常在大相对孔径、大视场角的情况下,选择使用Real校正,一般场合使用Paraxial就可以了。另外,在由多个组件构成的长系统中,比如投影物镜、显微镜系统,光阑像差可能导致光线逸出系统,此时也要使用Paraxial或Real校正。

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编辑:jq

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