13、激光扫描仪光学系统深度解析

激光扫描仪光学系统深度解析

1 光学基础参数与原理

1.1 光学不变量

光学不变量在光学系统中是一个常量，前提是系统中不存在如扩散器、光栅或渐晕光阑等不连续因素对其进行修改。通常在系统的物面、孔径光阑或最终像面计算该不变量，其可方便地定义为物（或像）高乘以边缘光线角度，或者光瞳高度乘以主光线角度。
- 在孔径光阑或光瞳面，主光线高度 ( Y_c ) 为零，此时光学不变量简化为：
[I = y_nu_c]
其中主光线角度项 ( (n u_c) ) 是近轴半视场角或扫描角。
- 在物面或像面，边缘光线高度 ( Y_m ) 为零，光学不变量简化为：
[I = -y_nu_m]
其中边缘光线角度项 ( (n u_m) ) 是聚焦在像平面上的光在空气中的锥半角正弦的近轴等效值，即数值孔径（NA）。这些简化的不变量方程在处理系统内中间像或光瞳共轭的光学特性时非常有用。

1.2 f 数与数值孔径的关系

透镜的 f 数定义为透镜焦距 ( F ) 除以设计入瞳直径 ( D_L )，也用于描述像方锥角。对于无限共轭情况，NA 与 f 数（F / #）的关系为：
[F / # = \frac{F}{D_L} = \frac{1}{2NA}]
对于准直物，这种关系很明确，但在有限共轭情况下，透镜的 f 数不再描述工作 f 数，工作 f 数简单地由相对孔径定义：
[F / # = \frac{1}{2NA}]
大多数扫描透镜在准直空间中工作，使用 F / # 来描述像方锥角很方便，本节将使用这种相对孔径定义。

2 衍射极限相关内容

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