锥半角 (CHA) 是指会聚或发散光锥的光轴与边缘光线（最外层光线）之间形成的最大角度。它定义了光束进入或离开光学元件时的角度限制。
在几何光学中，它是衡量聚焦光束“陡峭度”或“发散度”的基本量度。如果将聚焦光束可视化为圆锥体，CHA 就是从该圆锥体中心到其边缘所测量的角度。
CHA 很少单独使用；它与两种最常见的行业集光能力指标有数学关系：数值孔径 (NA) 和 f 值 (f/#)。
与其他光学指标的关系
CHA 很少单独使用；它与两种最常见的行业集光能力指标有数学关系：数值孔径 (NA) 和 f 值 (f/#)。
1. 数值孔径 (NA)
数值孔径是显微镜物镜和光纤的标准指标。它直接源自 CHA。
- 公式：NA = n * sin(θ)
-
其中：
- NA = 数值孔径
- n = 介质折射率（空气中约等于 1.0）
- θ= 锥半角
计算：根据空气中的已知 NA 计算 CHA：
- theta = arcsin(NA)
2. f 值 (f/#)
在相机镜头和摄影中，镜头的“速度”用 f 值表示。
- 近似值：f/# ≈ 1 / (2 * tanθ)
区别：CHA 与入射角 (AOI)
区分锥半角和入射角至关重要，尤其是在选择光学滤光片时，因为它们描述了不同的光照条件。
- AOI（入射角）： 指准直光（平行光线）以相对于法线的单个特定角度照射表面。例如，将镜子倾斜 45° 会为所有光线创建 45° AOI。
- CHA（锥半角）： 指非准直光（圆锥体）。在这种情况下，光学元件同时接收从 0°（中心）到最大 θ（边缘）范围内的光线。
对滤光片的影响
当薄膜干涉滤光片（如带通滤光片）在锥形光束（非零 CHA）中使用时，光线角度的变化会导致其性能相对于准直光下降。
区别：CHA 与 AOI
区分锥半角和入射角至关重要，特别是在选择光学滤光片时，因为它们描述了不同的照明条件。
- AOI（入射角）：指准直光（平行光线）以相对于法线的单个特定角度照射到表面。例如，以45°倾斜镜子会使所有光线都以45°的入射角入射。
- CHA（锥半角）：指非准直光（圆锥）。在这种情况下，光学元件同时接收从0°（中心）到最大θ（边缘）范围内的光线。
对光学滤光片的影响
当薄膜干涉滤光片（如带通滤光片）在锥形光束（非零 CHA）中使用时，与准直光相比，光线角度的变化会导致性能下降。
- 蓝移：滤光片的中心波长 (CWL) 向更短的波长移动。
- 带宽展宽：由于锥形光束包含许多不同角度的光线，因此产生的频谱是多个偏移频谱的加权平均值。这种“拖尾”效应会使通带变宽并降低峰值透射率。
经验法则：如果 CHA 超过 5° 到 7°，通常需要为高 NA 环境设计的专用滤光片来防止信号损失。
实际示例
高倍显微镜物镜
显微镜物镜通常具有非常高的 NA，导致锥半角很陡。
- 组件：40 倍物镜
- 规格：NA = 0.65
- 介质：空气 (n ≈ 1.0)
计算：
- theta = arcsin(0.65)
- CHA ≈ 40.5°
重要性：放置在此光路中的标准光学滤光片将经历极端的蓝移，因为光线以高达 40.5° 的角度入射。