光學(xué)知識(shí)之光闌漸暈、光闌像差與光線對(duì)準(zhǔn)

來(lái)源 | 小小光081. 光闌與光瞳 任何實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中都有一個(gè)孔徑光闌，簡(jiǎn)稱光闌（Stop），它限制了入射光束的孔徑。在簡(jiǎn)單透鏡成像的情況下，透鏡的鏡框充當(dāng)孔徑光闌?？讖焦怅@通過(guò)它前面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像稱為入瞳（EntrancePupil），通過(guò)它后面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像稱為出瞳（Exit Pupil）。

由幾何光學(xué)可知，凡是通過(guò)入瞳的光束，將通過(guò)光闌和出瞳。換言之，入瞳和出瞳就是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)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(shí)際上限制光束的卻是光闌。在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，入瞳、光闌和出瞳的位置沒(méi)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(shè)光闌是圓形的。當(dāng)光闌直徑增大時(shí)，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(huì)增大。例如，一個(gè)雙膠合準(zhǔn)直鏡，光闌在第一面，與入瞳重合，如下圖所示：

雙膠合準(zhǔn)直鏡的輸入光束直徑和彌散斑的RMS半徑的關(guān)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(zhǔn)直光束焦斑（像）的彌散隨光闌直徑增大而增大，像質(zhì)變差，必須取一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹虚g值來(lái)兼顧信息量、像的照度和像質(zhì)。 3. 光闌的位置與漸暈

在光學(xué)系統(tǒng)中，光闌的位置嚴(yán)重影響了軸外視場(chǎng)的光學(xué)性能。例如，一個(gè)典型的柯克三片式物鏡，當(dāng)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(shí)對(duì)軸上光束沒(méi)有影響，但軸外光束變化很大，彌散也顯著加大了；當(dāng)光闌移到第一透鏡前時(shí)，軸上光束仍無(wú)變化，但軸外視場(chǎng)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(chǎng)的部分光束被鏡框（或?qū)ｉT(mén)設(shè)置的光闌）遮擋。大視場(chǎng)的照度本來(lái)就低，漸暈使大視場(chǎng)的照度進(jìn)一步降低。在光學(xué)設(shè)計(jì)中，要審慎地安排光闌的位置，盡量使光闌位于系統(tǒng)對(duì)稱中心附近。但，漸暈也有積極的作用。許多廣角物鏡大視場(chǎng)大孔徑光線的像差很大，恰當(dāng)利用攔光，雖然照度受到一些影響，但像質(zhì)有所提高。

4. 光闌像差和光線對(duì)準(zhǔn)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(xué)近似下計(jì)算光闌通過(guò)它前方的透鏡所成的像，即入瞳，并利用入瞳來(lái)排布進(jìn)入系統(tǒng)的光線。既然光闌和入瞳之間是成像的關(guān)系，必然也有像差，稱為光闌像差。

光闌像差主要體現(xiàn)在入瞳位置和入瞳形狀均可能有誤差，這樣一來(lái)，通過(guò)入瞳進(jìn)入系統(tǒng)的光線未必恰好充滿光闌，就導(dǎo)致像差計(jì)算的偏差。在“慢系統(tǒng)”（Slow System，即小相對(duì)孔徑系統(tǒng)）和適度的視場(chǎng)角（Modest Field Angle，即中小視場(chǎng)角）的情況下，光闌像差的影響不大。但是“快系統(tǒng)”（Fast System，即大相對(duì)孔徑、大視場(chǎng)系統(tǒng)）光闌像差的影響就不可忽略了。 ZEMAX中Ray Aiming（光線對(duì)準(zhǔn)）有三個(gè)選項(xiàng)：Off：忽略光闌像差；Paraxial：校正初級(jí)光闌像差；Real：完全校正光闌像差。

校正光闌像差后確保進(jìn)入系統(tǒng)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(guò)逐次插值迭代完成的，很費(fèi)時(shí)。通常在大相對(duì)孔徑、大視場(chǎng)角的情況下，選擇使用Real校正，一般場(chǎng)合使用Paraxial就可以了。另外，在由多個(gè)組件構(gòu)成的長(zhǎng)系統(tǒng)中，比如投影物鏡、顯微鏡系統(tǒng)，光闌像差可能導(dǎo)致光線逸出系統(tǒng)，此時(shí)也要使用Paraxial或Real校正。

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編輯：jq