光纤光谱仪｜数值孔径(NA)——集光的角度范围系统

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数值孔径(Numerical Aperture，简称NA)是光学系统中的一个重要参数，用于描述该系统能够收集光的角度范围。

数值孔径NA如何定义的？又会受哪些因素影响？

1.定义：数值孔径是一个无量纲的数，用于衡量光学系统能够接收或发射光的角度范围，进而衡量系统收集光的能力。

2.公式：数值孔径NA是透镜与被检物体之间介质的折射率(n)和孔径角(2α)半数的正弦之乘积。公式表示为：NA = n * sin α。其中，孔径角(α)，是透镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。

3.作用：较高的数值孔径可以使光束更容易聚焦到较小的尺寸，能够提供更高的分辨率和聚焦能力。

在光学领域，数值孔径描述了透镜收光锥角的大小，决定了透镜的收光能力和空间分辨率；在光纤领域，数值孔径描述了光进出光纤时的锥角大小。

4.影响因素：数值孔径的大小受到光学系统中使用的光学元件(如物镜、透镜)的性能和设计限制的影响。不同的光学元件具有不同的数值孔径范围，而且数值孔径还会随着波长的变化而变化。

5.应用：在显微镜中，数值孔径决定了显微镜的分辨率和对比度；在光纤通信中，数值孔径影响了光纤的耦合效率和传输性能。

数值孔径NA越大越好？

数值孔径NA的值越大，并不总是意味着越好，取决于具体的应用需求。

1.分辨率：NA值越大，光学系统能够收集的光的角度范围就越大，这意味着系统能够解析更小的细节，即分辨率更高。在显微镜成像中，高NA值物镜通常能提供更高的分辨率。

2.对比度：NA值也会影响图像的对比度。一般来说，NA值越高，图像的对比度也越高，更多的光线被收集并传递到成像平面。

3.焦深：NA值的增加通常会导致焦深的减小。焦深是图像保持清晰(位于焦平面附近)的物体空间范围。在高NA值下，只有很小范围内的物体平面是清晰的，这可能会限制成像的应用范围。

4.亮度：理论上，NA值越大，进入系统的光线越多，图像可能会更亮。但是，这也取决于其他因素，如光源的亮度、系统的光学效率等。

5.应用需求：对于某些应用来说，如观察厚样本或需要大焦深的情况，高NA值可能不是最佳选择。相反，对于需要高分辨率和对比度的应用(如细胞生物学研究)，高NA值可能更为合适。

6.成本和复杂性：高NA值的光学系统通常更复杂、更昂贵。因为需要更高质量的透镜、更精确的对准和更复杂的制造工艺。

因此，在选择光学系统时，需要根据具体的应用需求来权衡NA值的大小。在某些情况下，选择中等NA值的系统能够在分辨率、对比度、焦深和成本之间取得一个较好的平衡。

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