临界照明和柯拉照明，以及复眼工作原理介绍

上一帖《关于微型投影光机照明光路设计—DLP平台》，有几位“道友”提出“复眼工作原理”的探讨诉求：

我在帖子里有大概介绍：

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先不扯淡，直接上图：
——在了解复眼工作原理之前，我们要先弄清楚临界照明和柯拉照明的原理：

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一、总述和对比：

A.临界照明（Critical illumination）：光源经过聚光镜后，直接成像在物平面上。

若忽略光能的损失，则光源像的亮度与光源本身相同，因此，这种方法相当于在物平面上放置光源。显然，在临界照明中，如果光源表面亮度不均匀，或明显地表现出细小的结构，如灯丝等，那么就要严重影响显微镜观察效果，这是临界照明的缺点。其补救的方法是在光源的前方放置乳白和吸热滤色片，使照明变得较为均匀和避免光源的长时间的照射而损伤被检物体。用透射光照明时，物镜成像光束的孔径角，被聚光镜像方光束的孔径角所决定，为使物镜的数值孔径得到充分利用，聚光镜应有与物镜相同或稍大的数值孔径。

B.柯拉照明（Kohler illumination）：不直接把光源成像在物面，而是把被光源均匀照明了的辅助聚光镜（也称为柯拉镜）成像在物面上。

柯拉照明可以简单理解为在临界照明的基础上，在光源镜片和聚光镜之间加一组辅助聚光镜，取而代之的不是直接把光源成像在物面上，而是将辅助聚光镜成像在物面上。所以这样方法可以解决临界照明中物面光照度不均匀的缺点，使物面得到均匀的照明

二、详解（以下文字来自百度百科，无修改）

A.临界照明：

临界照明是指一类适用于小投影物的聚光系统,聚光镜将光源的像成在投影物上或它的附近,这种照明称为临界照明。电影放映机、幻灯机、印像放大机，都采用临界照明。其优点是光能利用率高,但不易得到均匀照明。原因是光源的灯丝像与被检物体的平面重合，这样就造成被检物体的照明呈现出不均匀性，在有灯丝的部分则明亮；无灯丝的部分则暗淡，不仅影响成像的质量，更不适合显微照相，这是临界照明的主要缺陷。其补救的方法是在光源的前方放置乳白和吸热滤色片，使照明变得较为均匀和避免光源的长时间的照射而损伤被检物体。

B.柯拉照明：

柯拉照明临界照明中物面光照度不均匀的缺点，在柯拉照明中可以消除。在光源1与聚光镜5之间加一辅助聚光镜2，如图6所示。可见，由于不是直接把光源，而是把被光源均匀照明了的辅助聚光镜2（也称为柯拉镜）成像在标本6上，所以物镜的视场（标本）得到均匀的照明。

在显微镜中，要获得高质量的成像质量及良好的摄影质量，标本的照明是一个非常重要的因素。柯拉照明方式是在1893年时由卡尔.蔡斯公司的奥格斯特.柯拉作为一种最佳的标本照明方法首次推出。
由于柯拉照明可产生均匀明亮，无眩光的标本照明，使显微镜在使用中发挥最大的潜能，现代实验室显微镜的制造商们均推荐采用该项技术。
在显微镜厂家所设计的现代显微镜中，集光镜及其它的光学元件均安置在显微镜的底座中，这些光学元件将灯丝放大，成像并投射到载物台下聚光镜的孔径光栏处。打开或关闭聚光镜的孔径光栏，可控制由聚光镜发出，从所有方向到达标本光线的角度。因为光源并不成像于标本所在的平面上，标本所在平面上的光线实质上是均匀的，不会因聚光镜上的灰尘或其它缺陷使照明状态变坏。打开或关闭聚光镜的孔径光栏，可控制到达标本的光锥角度。
聚光镜孔径光栏的设置，以及物镜的孔径大小，共同决定了显微镜系统的实际数值孔径。当聚光镜的孔径光栏打开，显微镜的数值孔径就增加，分辨率也就提高，透过的光线也增加。透过并照亮标本的平行光在物镜的后焦平面上会聚。在此处，也可看见可变孔径光栏及灯源的成像。
图1所示的光路分别为标本照明光束和成像光束的光路示意图。此图所绘的并不是实际光路，但方便于分析讨论。图1（a）所示为照明光束在载物台下聚光镜孔径光栏平面，
物镜后焦平面及目镜眼点（也称之为Ramsden斑）处会聚而形成灯丝像的光路图。这些同时成像的平面又称之为共轭面。对实施柯拉照明来说，十分重要。在光路中，一个物体会聚于一个平面上，它也同时会聚在另一个共轭面上。在图示的光路中（成像光路及照明光路）各有四个面组成一组共轭面组。
图1（a）所示的柯拉照明的照明光路有如下的面灯丝。聚光镜孔径光栏（聚光镜的前焦平面）。物镜的后焦平面。目镜的眼点（也称Ramsden斑）。大约离目镜后镜片半英寸处（1厘米）。观察时，观察者的眼睛应放在此处。柯拉照明的成像光束光路中的共轭面包括：视场光栏。调好焦的标本。中间像面（即目镜上的固定光栏面）。眼的视网膜或照相机的胶片。显微镜光路中常常由于灰尘、纤维及光学元件缺陷等引起视场不干净。
了解共轭焦平面对解决这类问题十分有用。如果此类毛病在视场中很清晰，这些东西应该位于这些成像共轭面上或在其附近。这些部位包括显微镜的出光孔处的玻璃零件、标本、目镜上的分划及目镜的下面一块透镜。如果这些污物在视场中成像模糊，它们一般位于照明共轭面的零件附近。可怀疑的部位就是聚光镜的前透镜（此处灰尘及污物容易堆积），目镜外露的镜片（容易被眼睫毛污染），物镜的前片（容易产生手印）。
图2所示为显微镜照明光路的典型设置。图中，灯箱（照明源）设置在底座上，光线透过一些透镜后经底座上的反射镜反射通过载物台下聚光镜。光源对于显微镜的光轴可以是自调中的或者是可以调中的。由卤钨灯发出的光线首先通过位于灯箱附近的集光镜，然后通使光线产生散射。这样可使视场的照度均匀。在实际光路中，移掉这块散射玻片时，灯丝应成像于载物台下聚光镜的前焦平面上。集光镜应与光源灯丝的尺寸准确匹配，确保灯丝像以正确的尺寸投射到聚光镜的孔径光栏上。正确的柯拉照明，灯丝应能完全充满聚光镜的孔径光栏

三、显微镜系统中临界照明和克拉照明的应用理解：

临界照明的特点是将光派经整个照明系统成象于试样表面(图2-38)。从图中可看出，物镜也是照明系统的组成部分。若忽略光能的损失，试样表面的亮度与光源相同。假如光源亮度不均匀或明显地表现出光源的细小结构(如灯丝等)，那末光源成象在试样表面会使显微镜视场照明不均匀。

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这是临界照明的主要块点。但事物总是一分为二的，其优点则是光能利用率高。显微镜采用明场照明时，为了得到照明均匀的视场，几乎都选用柯拉照明而不用临界照明。
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柯拉照明的特点是使光源成象在物镜的孔径光栏⊙7上(见图2-39)不落在试样9的表面。物镜作为照明系统的一部分，以平行光照亮试样表面。这样，临界照明中对试样照明不均匀的缺点便消除了

四、我对柯拉照明的理解：

我更喜欢将投影照明系统中应用的柯拉照明光路理解成如下图片所示：
其中左起第一片和第二片近似为“Condensor部分”，第三片近似“Lens Array部分”，第四片（下面那一片）近似“Relens部分”的功能：

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如果还很难理解，我们可以看下面的图片：
其中左起第一片和第二片近似为“Condensor部分”，第三片（胶合第一片）近似“Lens Array部分”，第四片（胶合第二片）近似“Relens部分”的功能：

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另外，复眼的内部和后续“Relens部分”的光路图可以参考下面的图片：

简单来说就是“没有复眼的光路，LED灯的像会直接成像在DMD表面；而有复眼的照明光路，会将复眼的入射面S1面成像在DMD表面”，通过这种方式来达到DMD表面均匀照明的效果，也就是“柯拉照明”。

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而整个投影光路的原理图（包括照明和成像系统）可以参考下面的图片：

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收笔总结：

复眼的工作原理已经涵盖在上面的文字和光路图中，可不可以理解主要还是看个人，如果有一点绕，那就简单理解为我上一个帖子中提到的简便方法“复眼入射光S1面的焦点刚好落在出射光S2面上”！

※备注说明：以上仅为个人理解，权当交流使用，唯恐贻笑大方，欢迎批评指正！

Daxingyang-2020年6月15日

woshiyiyun	2020-06-17 10:46
学习了，多谢

misszy	2020-07-13 10:09
楼主，您好，关于设计，我设计的在DMD处有复眼串扰，可否讨教，如何减缓

daxingyang	2020-07-17 13:55
misszy:楼主，您好，关于设计，我设计的在DMD处有复眼串扰，可否讨教，如何减缓 (2020-07-13 10:09) OM4q/!)A] Ts~)0 串扰是因为你复眼的入射光角度过大造成

misszy	2020-07-19 19:54
daxingyang:串扰是因为你复眼的入射光角度过大造成 (2020-07-17 13:55) w&E*{{otJ dAZh# i[ 也就是说是准直出了问题对吗？我发现如果为了注重光能利用率，为了更多的光被准直收入，优化准直时边缘必然入射角度可能会10°左右，结果导致串扰处的光严重。我试试看准直再优化看看，谢谢了

xucareer	2020-11-13 09:53
内容不错

jiazhenjay12	2021-01-18 08:46
感谢大佬的介绍

激光伤眼	2021-04-12 18:27
感谢，学习了！

lnjonfan	2021-05-13 18:22
图是错的

looksea2015	2021-07-13 13:59
学习了

光电鸭	2022-04-17 13:39
misszy:楼主，您好，关于设计，我设计的在DMD处有复眼串扰，可否讨教，如何减缓 (2020-07-13 10:09) ?xTh}Sky ;8G( l 您好，向您请教，“复眼串扰”是怎样的，在模拟中的表现形式如何，在实际投影画面中表现形式如何？

willh	2024-01-23 09:17
misszy:楼主，您好，关于设计，我设计的在DMD处有复眼串扰，可否讨教，如何减缓 (2020-07-13 10:09) btfjmR<Tp K$H>/*&'~ 减小角度，就不会出现旁瓣

daxingyang	2024-07-18 16:58
光电鸭:您好，向您请教，“复眼串扰”是怎样的，在模拟中的表现形式如何，在实际投影画面中表现形式如何？ (2022-04-17 13:39) CjzfU*G ^N!l$&= 楼下 willh 回复对的

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