光学知识——光阑渐晕、光阑像差与光线对准-技术圈

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来源 | 小小光08

1. 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：

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/mm	SPT₀/um	SPT_0.7/um	SPT₁/um
9.0	16.1	15.3	3
7.5	4.2	3.7	4.0
6.0	0.9	1.4	3.8
4.5	0.5	1.1	3.1

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：

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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