來源 | 小小光081. 光闌與光瞳 任何實際光學系統(tǒng)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(tǒng)所成的像稱為入瞳（EntrancePupil），通過它后面的光學系統(tǒng)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(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。而實際上限制光束的卻是光闌。在實際光學系統(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(zhì)變差，必須取一個恰當?shù)闹虚g值來兼顧信息量、像的照度和像質(zhì)。 3. 光闌的位置與漸暈

在光學系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)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(tǒng)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(xiàn)在入瞳位置和入瞳形狀均可能有誤差，這樣一來，通過入瞳進入系統(tǒng)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(tǒng)”（Slow System，即小相對孔徑系統(tǒng)）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(tǒng)”（Fast System，即大相對孔徑、大視場系統(tǒng)）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(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(tǒng)中，比如投影物鏡、顯微鏡系統(tǒng)，光闌像差可能導致光線逸出系統(tǒng)，此時也要使用Paraxial或Real校正。

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編輯：jq