光学孔径 Optical apertures

2022-11-21 09:10:22 浏览:392

定义

光学孔径是在空间上限制光传播的结构。

  • 例如,摄影物镜或望远镜的入射孔径仅允许光线在有限的区域和有限的角度范围内进入。 光的传播可能受到内部限制的进一步限制。
  • 在光学系统中,可能存在尺寸有限的光学组件,例如具有一定直径的反射镜和透镜。 超出该直径的光通常无法穿过系统。
  • 各种光源都有一些有限的输出孔径,可用光可以出现。
  • 人们经常故意使用所谓的光圈或针孔,即带有孔的结构,它允许光仅通过该开口传播。 在该开口之外,通常有一种带有黑色涂层的材料,可以吸收大部分入射光。
  • 还有其他种类的引入光学孔径,具有不同几何形状的开口。 最常见的是,人们使用各种宽度和长度的光学狭缝。

光学孔径的影响

光学孔径会对光学仪器的性能产生各种有益或有害的影响。 一些例子:

根据情况,光圈可以提高或降低图像质量!

  • 例如,当截断激光束时,硬孔径会导致衍射环等特征,从而降低光束质量。 有关更多详细信息,请参阅衍射文章。
  • 光圈通常也会限制光通量,例如图像传感器的光通量,并且需要通过增加曝光时间来补偿。 具有这种效果的光圈称为光圈光圈。 它还可能导致图像晕影,这意味着图像外围区域的亮度会降低更多。
  • 例如,光学望远镜或摄影物镜的入射孔径通过衍射效应限制了可实现的角分辨率。
  • 在某些情况下,光学孔径(例如摄影物镜中的光阑)可以提高图像质量。 例如,它可以阻止光线在整个镜头区域传播,其中球面像差会过多。 此外,它可以避免光在极端角度方向上传播。 在其他情况下,如果同时对不同距离的物体进行成像,它会增加景深,从而增加图像质量。 有关更多详细信息,请参阅有关使用镜头成像的文章。
  • 孔径也会限制光学仪器的视野。 然后,它们被称为字段停靠点。 视野并不总是受到严重限制;可能会有一些渐晕。
  • 在激光器中,光学孔径,例如以激光晶体的有限尺寸的形式,可以限制产生激光辐射的区域。 在某些情况下,腔内孔径抑制了高阶谐振器模式下的激光操作,从而提高了激光束质量。

并非光学系统中的所有孔径都会对性能产生影响。 经常发生光学元件的有限尺寸无关紧要的情况,因为由于光学设计,光无论如何都无法到达其外部区域。

孔径的应用

许多光学仪器中使用了不同种类的孔径。 一些例子:

  • 小针孔通常用于产生具有增加空间相干性的光。 例如,有些模式清洁器在两个镜头之间有一个针孔。
  • 在单色器的入口和出口处,例如Czerny-Turner型,通常有一个狭窄的狭缝。 它可以防止光在路径上传播,这对于所需透射波长范围之外的光是可能的。
  • 如上所述,摄影物镜(以及其他类型的物镜)通常包含一个或多个孔径。
  • 硬孔径或软孔径可用于激光的克尔透镜模式锁定。

光圈尺寸

术语“光圈”有时用于表示光圈的大小,而不是物体本身。 通常,指定直径,或者在物镜的情况下指定f值(其中较大的值表示较小的孔径直径)。

硬孔径和软孔径

大多数光学孔径都是硬孔径,这意味着在任何位置它们要么是完全透射的,要么是完全阻挡光线的。 然而,也有软孔径,表现出透射率的逐渐空间变化 - 例如通过特殊的介电涂层实现。 更具体地说,在高斯孔径中,透射率曲线由高斯函数描述。

软孔径有助于避免或减轻衍射的影响。

光学器件和光子元件的有限孔径尺寸

对于某些光学仪器,特别是具有大放大倍率的望远镜,需要非常大的输入孔径尺寸以获得最大的图像分辨率,而该分辨率受到孔径衍射的限制。 例如,生产所需的高精度反射镜和透镜具有挑战性,因为整个区域的表面形状应大大小于一个光学波长。 弯曲的影响,例如由于这些部件的重量相当大,也需要考虑。

激光技术通常在相当有限的孔径尺寸下工作。 例如,激光器中的腔内光束半径很少大于几毫米。 因此,激光反射镜和其他腔内组件通常不必特别大。 然而,激光技术中使用的一些特殊组件仅在相当有限的孔径尺寸下可用,有时会导致限制,所有这些都需要妥协:

  • 周期性极化非线性晶体为非线性频率转换提供了有趣的选择,但极化过程仅适用于厚度非常有限的晶体。 因此,只能在相当有限的光束面积下操作这种晶体。
  • 即使不需要周期性极化,大多数激光晶体和非线性晶体的可用尺寸也非常有限,这对于以非常高功率水平运行的器件来说有时是一个问题。
  • 例如,各种类型的光调制器,法拉第隔离器和体积布拉格光栅的尺寸通常也非常有限,或者对于较大的孔径尺寸,价格会变得更加昂贵。

大光圈,适用于大功率器件

在许多情况下,以较高功率水平运行的器件需要具有更大孔径的设备。 一些例子:

  • 激光器需要以光学强度水平进行操作,该水平或多或少由增益介质的光谱特性决定。 因此,更高的功率意味着更大的光束区域。
  • 高功率激光器通常具有较低的光束质量,因此要增加光束半径以保持足够大的有效瑞利长度。
  • 在某些情况下,需要增加光束面积以减轻热效应。
  • 为了限制由于高光学强度引起的非线性影响,还需要更大的光束区域。 用于非线性频率转换的设备需要一定的强度水平才能有效。 但是,仍应避免过度强度。

基础光学

作          者: 泮桥成像光电商城

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