理解 光学系统中的数值孔径

理解 光学系统中的数值孔径

光学是一个迷人的领域，数学与光的魔力相结合。这个领域内一个重要的概念是数值孔径（NA），这是一个常常被忽视的参数，它在定义光学系统的性能和能力方面起着至关重要的作用。无论你是在使用显微镜、相机，还是光纤，理解NA都可能是一个改变游戏规则的因素。

数值孔径是什么？

逐步缩小范围，数值孔径（NA）是一个无量纲的数字，用于表征光学系统可以接受或发出光的角度范围。从数学角度来看，数值孔径的公式为：

哪里：

• 无 = 数值孔径
• n = 透镜工作介质的折射率（无量纲）。
• θ = 光线通过透镜时，最大光锥的半角（以弧度为单位测量）。

输入解释

要掌握这个公式，我们来分解一下输入：

• 折射率 (n)这是衡量光速在介质中相比于真空减小多少的一个指标。例如，空气的折射率大约是1，水的折射率约为1.33，而许多光学玻璃的折射率在1.5到1.9之间。
• 半角 (θ)这是光轴与光锥边缘之间的角度，该光锥可以被光学系统收集或发射。这个角度始终小于90度，并且在计算时应转换为弧度（1弧度≈57.3度）。

输出解释

理解输出同样重要：

• 数值孔径 (NA)NA值是无量纲的，范围从0到通常约1.4（对于高端光学系统）。更高的NA值意味着更强的收集光线和解析更细微细节的能力。

现实生活中的例子

让我们通过一个现实例子来使这更清晰。考虑一个在空气中（n = 1）工作的显微镜镜头。如果光进入镜头的最大半角（θ）为30度，如何计算数值孔径（NA）？首先，将角度从度转换为弧度：

现在，使用公式：

所以，这个显微镜镜头的数值孔径将是0.5。

数值孔径的影响

数值孔径直接影响光学系统的两个关键方面： 决议 和 亮度.

决议

分辨率是光学系统区分两个相距很近的物体的能力。更高的数值孔径（NA）值可以提供更好的分辨率，从而生成更详细和更清晰的图像。例如，在显微镜中，较高的NA镜头能够捕捉生物样本的更细致细节，增强研究人员观察细胞结构的能力。

亮度

NA 还影响传输或接收光的亮度。更高 NA 的透镜能够收集更多的光，使图像更亮，并减少摄影中所需的曝光时间，或增强光学传感器的性能。

常见问题

以下是关于数值孔径的一些常见问题的答案：

摘要

理解光学系统的数值孔径提供了对其能力和局限性的宝贵见解。通过掌握公式 NA = n × sin(θ) 并欣赏其对分辨率和亮度的影响，人们可以在各种应用中做出明智的决策，从科学研究到日常摄影。深入探索光学的世界，让 NA 照亮您的道路！