光源是光学系统中重要的组成部分，扮演着为物方视场提供稳定照明的重要角色。人眼是一个高度精密的光学系统，当置身于阳光明媚的室外时，通过眼睛可以看到自然界中的花花草草、虫鱼鸟兽，城市内的高楼林立和马路上飞驰的汽车，这些美丽的景象都离不开光源。太阳是最大的自然光源，白天能看到万事万物都要归功于太阳光，它为人眼这个高度精密的光学系统提供照明，是早期光学系统的主要照明光源。显微镜是最常见的光学系统，早期的显微镜工作者利用自然界的太阳光作为显微镜的外部照明光源，利用非常巧妙的方法将太阳光收集后照射在样本上，然后就能通过物镜和目镜看清样本的微观图像了。![]()
但是，利用太阳光作为显微镜的外部照明光源的这种方式有很大的局限性，因为显微镜的工作状态完全受限于天气情况，在阴雨天气中观察到的同一样本图像与晴朗天气观察到的有明显区别，在夜晚无光的环境中就不能使用显微镜进行工作了。为解决这个问题，显微镜工作者们开始将目光瞄准人造光源，随后使用油灯作为光源替代了太阳光，解决了受限于天气和无光环境下的使用问题，但是缺乏可靠性，时常其照明的数值孔径大于物镜的数值孔径，使图像成生眩光。![]()
随着人类文明和科学技术的发展，人造光源的种类已经多种多样，根据其由电能转换光能的工作原理不同，大致可分为热辐射光源和气体放电光源两大类。热辐射光源是利用物体通电加热而辐射发光的原理制成的，如白炽灯、卤钨灯等；气体放电光源是利用气体放电时发光的原理制成的，如荧光灯、荧光高压汞灯、高压钠灯、霓虹灯、氙灯和金属卤化物灯等。不同类型的光源现在已经走入到日常的生活中，在没有太阳光的夜晚也能看清眼前的景物。![]()
图3 不同类型的光源
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人造光源已经成为生活中密不可分的一部分，科研领域更是离不开光源。那在搭建和调试含有光源的光学系统时一般要对光源发出的光束做哪些处理呢，该怎样去实现？在光学系统中，为了使光源发出的光能足够多或者按照特定的形状到达物方视场内，通常要对光束进行整形，而光束的准直通常为整形中的一个常见操作。通常光源发出的光线是以一定的角度发散传播的，即开始位置的相邻两条光线在传播过程中会相离越来越远。准直通俗的说就是将发散的光变成平行光，这样能实现远距离传输和照明，同时准直后的光具有光强均匀的特点，适用于需要均匀照明的场合。![]()
要将一束发散光变成平行光我们首先要根据光源的波长选择合适参数的整形器件（透镜、离轴抛面镜、SLM等），然后将光源和整形器件置于光学系统中，最后调整光源与整形器件的相对位置便可将发散光变为平行光了。SLM是一种对光波的光场分布进行调制的元件，感兴趣的读者可以查阅详细的资料了解调制的原理，这里我们只介绍常见的透镜准直方式。其实离轴抛面镜准直和透镜准直的原理都是一样的，只要光源置于整形器件的焦平面即可，要想得到准确的平行光，整形器件和光源的相对位置调节就必须要准确。![]()
图6 使用透镜和离轴抛面镜准直光路
对于点光源而言，判断光源是否已经被准直的最简单方法是用一张卡片观察准直后一段距离内光斑大小的变化情况，如果光斑大小逐渐变小则表示光源位于透镜焦平面以外，需要将光源向透镜方向移动；如果光斑逐渐变大，则表示光源在透镜焦平面以内，需要将光源向远离透镜的方向移动；如果光斑的大小不发生改变，则光源和透镜的相对位置已经调好，此时已经将光源发出的发散光准直为平行光了。![]()
图7准直情况的判断
大家都知道激光具有相干性好的特点，那么对于激光的点光源而言，使用剪切干涉仪能更精确的调节好准直光路。剪切干涉仪的原理是使用光学元件将单个波前分成两个略有不同的波前，这些波前在重叠区域发生干涉，形成干涉图样。通过观察这些干涉图样，可以判断出准直后光是否是平行光。由于普通光源是非相干光，不能使用剪切干涉仪来进行判断。![]()
图8 剪切干涉仪（https://www.excelitas.com/cn/product/linos-laser-optic-accessories）
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图9使用剪切干涉仪判断光路
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图10 三种情况判断
除了上述判断方式之外，还可以使用成像法来进行判断，这种方式可以解决上述两种方式不适用的情况。搭建过非光纤输出光源系统的读者都遇到过这样的问题，就是在对该光源进行准直时找不到输出光斑大小不变的位置，输出的光斑始终是变化的。那么这种情况该如何将光源置于透镜的焦平面上呢？点光源的定义是理想化为质点的光源，而质点的定义又是有质量但不存在体积或形状的点。也就是说生活中遇到的光源都不是严格意义的点光源，都是具有一定的发光面积，是不同位置的无数点光源的一个集合，将这种光源称为扩展光源。扩展光源进行准直时，处于透镜焦平面上不同位置的点光源发出的光线经过透镜后也都变成平行光，但是只有焦点处发出的光线经过准直后平行于光轴，其它位置的点光源发出的光线经过准直后都跟光轴存在一个夹角，因此当所有的光汇集在一起的时候总的光束是发散的，光斑是逐渐变大的。这个时候可以使用成像的方法去判断并且调节。![]()
成像的判断方法也比较简单，首先将一个相机和一个透镜置于系统中并将相机靶面调整至透镜的后焦面组成一个成像模组（该模组可对无穷远处发射过来的光进行成像），然后将该模组置于经过透镜准直输出的光路中，移动光源或者透镜使相机上得到光源灯珠清晰的像，此时的位置便是扩展光源准直的最佳位置。![]()
图12 相机模组光路
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关于光源的准直的方法还有多种，这期内容就先介绍这常用的几种。光源的准直在光路调试中有着非常广泛的应用，掌握好光源准直的方法和判断依据，学会灵活使用，会使搭建系统的效率更高。以后将会不定期的分享搭建光学系统的一些方法和技巧，感谢大家的阅读。
