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平行性考量

平行性考量

平行光束的定義為,光束中的每道光線和其他每一道光線平行。如果要製造平行光,您可以將一個無窮小的光源放在距離具正焦距的光學系統恰好一個焦距的位置,或是您可以從無窮遠的位置觀察點光源。但上述兩種情況在真實世界都不可能成真。此外,即便達成上述其中一種條件,由繞射理論可得知,仍會出現發散。

為了減少平行光束的發散情況,必須平衡兩個因素:平行系統的焦距和光源大小。方程式 1 估算平行光束的發散性:

發散性 ≈
光源大小
平行系統的焦距
(1)

為取得理想的平行性,必須盡可能縮小照明光源的大小,或增加平行系統的焦距。請注意,當您增加系統的焦距,系統和表面之間的實體距離必然會拉長,這表示聚焦系統將捕捉到更少的光,最終光束的整體能量則會因此減少。

製造平行光時,一定會產生若干程度的發散。下圖之中的兩個系統都產生平行光,但是相較於圖 1 和圖 3 的系統,圖 2 和圖 4 的系統擁有較大的光源,因此發散的情況更加明顯。我們可以將圖 2 和圖 4 視為密集理想點光源的光線收集狀態。個別每一點皆會製造平行光線的光線束,但在光線收集後,一系列的「點光源」會製造出帶有一定發散性的光束。發散性會存在是因為隨著光源大小增加,光源和光軸的距離也增加,因此光線束對光軸的角度也跟著增加。

Figure 1: Ideal Point Source with a Refractive Collimator
圖1: 折射式光柵的理想點光源
Figure 2: Real Source with Height y and a Refractive Collimator
圖2: 折射式光柵在高度 y 時的實際光源
Figure 3: Ideal Point Source with a Reflective Collimator
圖3: 折射式光柵的理想點光源
Figure 4: Real Source with Height y and a Reflective Collimator
圖4: 折射式光柵在高度 y 時的實際光源

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