光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

任何一種光學(xué)儀器的用途和使用條件必然會(huì)對(duì)它的光學(xué)系統(tǒng)提出一定的要求，因此，在我們進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)之前一定要了解對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求。這些要求概括起來有以下幾個(gè)方面。

一、光學(xué)系統(tǒng)的基本特性

光學(xué)系統(tǒng)的基本特性有：數(shù)值孔徑或相對(duì)孔徑；線視場(chǎng)或視場(chǎng)角；系統(tǒng)的放大率或焦距。此外還有與這些基本特性有關(guān)的一些特性參數(shù)，如光瞳的大小和位置、后工作距離、共軛距等。

二、系統(tǒng)的外形尺寸

系統(tǒng)的外形尺寸，即系統(tǒng)的橫向尺寸和縱向尺寸。在設(shè)計(jì)多光組的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，外形尺寸計(jì)算以及各光組之間光瞳的銜接都是很重要的。

三、成像質(zhì)量

成像質(zhì)量的要求和光學(xué)系統(tǒng)的用途有關(guān)。不同的光學(xué)系統(tǒng)按其用途可提出不同的成像質(zhì)量要求。對(duì)于望遠(yuǎn)系統(tǒng)和一般的顯微鏡只要求中心視場(chǎng)有較好的成像質(zhì)量；對(duì)于照相物鏡要求整個(gè)視場(chǎng)都要有較好的成像質(zhì)量。

四、儀器的使用條件

在對(duì)光學(xué)系統(tǒng)提出使用要求時(shí)，一定要考慮在技術(shù)上和物理上實(shí)現(xiàn)的可能性。如生物顯微鏡的放大率Г要滿足500NA≤Г≤1000NA 條件，望遠(yuǎn)鏡的視覺放大率一定要把望遠(yuǎn)系統(tǒng)的極限分辨率和眼睛的極限分辨率一起來考慮。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

所謂光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)使用條件，來決定滿足使用要求的各種數(shù)據(jù)，即決定光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組的結(jié)構(gòu)等。因此我們可以把光學(xué)設(shè)計(jì)過程分為4 個(gè)階段：外形尺寸計(jì)算、初始結(jié)構(gòu)計(jì)算、像差校正和平衡以及像質(zhì)評(píng)價(jià)。

一、外形尺寸計(jì)算

在這個(gè)階段里要設(shè)計(jì)擬定出光學(xué)系統(tǒng)原理圖，確定基本光學(xué)特性，使?jié)M足給定的技術(shù)要求，即確定放大倍率或焦距、線視場(chǎng)或角視視場(chǎng)、數(shù)值孔徑或相對(duì)孔徑、共軛距、后工作距離光闌位置和外形尺寸等。因此，常把這個(gè)階段稱為外形尺寸計(jì)算。一般都按理想光學(xué)系統(tǒng)的理論和計(jì)算公式進(jìn)行外形尺寸計(jì)算。在計(jì)算時(shí)一定要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)，以防止在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上無法實(shí)現(xiàn)。每項(xiàng)性能的確定一定要合理，過高要求會(huì)使設(shè)計(jì)結(jié)果復(fù)雜造成浪費(fèi)，過低要求會(huì)使設(shè)計(jì)不符合要求，因此這一步驟慎重行事。

二、初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算和選擇、初始結(jié)構(gòu)的確定

常用以下兩種方法：

1.根據(jù)初級(jí)像差理論求解初始結(jié)構(gòu)

這種求解初始結(jié)構(gòu)的方法就是根據(jù)外形尺寸計(jì)算得到的基本特性，利用初級(jí)像差理論來求解滿足成像質(zhì)量要求的初始結(jié)構(gòu)。

2.從已有的資料中選擇初始結(jié)構(gòu)

這是一種比較實(shí)用又容易獲得成功的方法。因此它被很多光學(xué)設(shè)計(jì)者廣泛采

用。但其要求設(shè)計(jì)者對(duì)光學(xué)理論有深刻了解，并有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，只有這

樣才能從類型繁多的結(jié)構(gòu)中挑選出簡(jiǎn)單而又合乎要求的初始結(jié)構(gòu)。

初始結(jié)構(gòu)的選擇是透鏡設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，選型是否合適關(guān)系到以后的設(shè)計(jì)是否成

功。一個(gè)不好的初始結(jié)構(gòu)，再好的自動(dòng)設(shè)計(jì)程序和有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者也無法使設(shè)計(jì)獲得成功。

三、像差校正和平衡

初始結(jié)構(gòu)選好后，要在計(jì)算機(jī)上用光學(xué)計(jì)算程序進(jìn)行光路計(jì)算，算出全部像差及各種像差曲線。從像差數(shù)據(jù)分析就可以找出主要是哪些像差影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，從而找出改進(jìn)的辦法，開始進(jìn)行像差校正。像差分析及平衡是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行的過程，直到滿足成像質(zhì)量要求為止。

四、像質(zhì)評(píng)價(jià)

光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量與像差的大小有關(guān)，光學(xué)設(shè)計(jì)的目的就是要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的像差給予校正。但是任何光學(xué)系統(tǒng)都不可能也沒有必要把所有像差都校正到零，必然有剩余像差的存在，剩余像差大小不同，成像質(zhì)量也就不同。因此光學(xué)設(shè)計(jì)者必須對(duì)各種光學(xué)系統(tǒng)的剩余像差的允許值和像差公差有所了解，以便根據(jù)剩余像差的大小判斷光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量的方法很多，下面簡(jiǎn)單介紹一下像質(zhì)評(píng)價(jià)的方法。

1.瑞利判斷

實(shí)際波面與理想波面之間的最大波像差不超過1/4波長(zhǎng)。其是一種較為嚴(yán)格的像質(zhì)評(píng)價(jià)方法，適用于小像差系統(tǒng)如：望遠(yuǎn)鏡、顯微物鏡等。

2.分辨率

分辨率是反映光學(xué)系統(tǒng)分辨物體細(xì)節(jié)的能力。當(dāng)一個(gè)點(diǎn)的衍射圖中心與另一個(gè)點(diǎn)的衍射圖的第一暗環(huán)重合時(shí)，正好是這兩個(gè)點(diǎn)剛能分開的界限。

3.點(diǎn)列圖

由一點(diǎn)發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)以后，由于像差，使其與像面的交點(diǎn)不現(xiàn)集中于同一點(diǎn)，而形成一個(gè)分布在一定范圍內(nèi)的彌散圖形，稱之為點(diǎn)列圖。通常用集中30%以上的點(diǎn)或光線的圓形區(qū)域?yàn)槠鋵?shí)際有效的彌散斑，它的直徑的倒數(shù)，為系統(tǒng)能分辨的條數(shù)。其一般用于評(píng)價(jià)大像差系統(tǒng)。

4.光學(xué)傳遞函數(shù)

此方法是基于把物體看作是由各種頻率的譜組成的，也就是將物的亮度分布函數(shù)展開為傅里葉級(jí)數(shù)或傅里葉積分。把光學(xué)系統(tǒng)看作是線性不變系統(tǒng)，這樣，物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，可視為不同頻率的一系列正弦分布線性系統(tǒng)的傳遞。傳遞的特點(diǎn)是頻率不變，但對(duì)比度下有所下降，相位發(fā)生推移，并截止于某一頻率。對(duì)比度的降低和位相的推移隨頻率而異，它們之間的函數(shù)關(guān)系稱為光學(xué)傳遞函數(shù)。由于光學(xué)傳遞函數(shù)與像差有關(guān)，故可用來評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。它具有客觀、可靠的優(yōu)點(diǎn)，并且便于計(jì)算和測(cè)量，它不僅能用于光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)，還能控制光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程、鏡頭檢驗(yàn)、光學(xué)總體設(shè)計(jì)等各方面。

審核編輯：湯梓紅