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1.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@通過它前面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像稱為入瞳(EntrancePupil),通過它后面的光學(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(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、出射光束的孔徑角也隨之增大,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
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)
所謂漸暈,就是大視場(chǎng)的部分光束被鏡框(或?qū)iT設(shè)置的光闌)遮擋。大視場(chǎng)的照度本來就低,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。
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)算光闌通過它前方的透鏡所成的像,即入瞳,并利用入瞳來排布進(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,通過入瞳進(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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