光學(xué)系統設計要求分析

任何一種光學(xué)儀器的用途和使用條件必然會(huì )對它的光學(xué)系統提出一定的要求，這些要求概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面。

一、 光學(xué)系統的基本特性

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

二、 系統的外形尺寸

系統的外形尺寸，即系統的橫向尺寸和縱向尺寸。在設計多光組的復雜光學(xué)系統時(shí)，外形尺寸計算以及各光組之間光瞳的銜接都是很重要的。

三、 成象質(zhì)量

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

四、 儀器的使用條件 `

在對光學(xué)系統提出使用要求時(shí)，一定要考慮在技術(shù)上和物理上實(shí)現的可能性。如生物顯微鏡的放大率Г要滿(mǎn)足500NA≤Г≤1000NA 條件，望遠鏡的視覺(jué)放大率一定要把望遠系統的極限分辨率和眼睛的極限分辨率一起來(lái)考慮。

光學(xué)系統設計過(guò)程

所謂光學(xué)系統設計就是根據使用條件，來(lái)決定滿(mǎn)足使用要求的各種數據，即決 定光學(xué)系統的性能參數、外形尺寸和各光組的結構等。因此我們可以把光學(xué)設計過(guò)程分為4 個(gè)階段：外形尺寸計算、初始結構計算、象差校正和平衡以及象質(zhì)評價(jià)。

一、外形尺寸計算

在這個(gè)階段里要設計擬定出光學(xué)系統原理圖，確定基本光學(xué)特性，使滿(mǎn)足給定的技術(shù)要求，即確定放大倍率或焦距、線(xiàn)視場(chǎng)或角視視場(chǎng)、數值孔徑或相對孔 N1N 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(chēng)為外 形尺寸計算。一般都按理想光學(xué)系統的理論和計算公式進(jìn)行外形尺寸計算。在 計算時(shí)一定要考慮機械結構和電氣系統，以防止在機構結構上無(wú)法實(shí)現。每項 性能的確定一定要合理，過(guò)高要求會(huì )使設計結果復雜造成浪費，過(guò)低要求會(huì )使 設計不符合要求，因此這一步驟慎重行事。

二、初始結構的計算和選擇、初始結構的確定常用以下兩種方法：

1．根據初級象差理論求解初始結構

這種求解初始結構的方法就是根據外形尺寸計算得到的基本特性，利用初級象差理論來(lái)求解滿(mǎn)足成象質(zhì)量要求的初始結構。

2．從已有的資料中選擇初始結構 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)設計者廣泛采用。但其要求設計者對光學(xué)理論有深刻了解，并有豐富的設計經(jīng)驗，只有這 樣才能從類(lèi)型繁多的結構中挑選出簡(jiǎn)單而又合乎要求的初始結構。 初始結構的選擇是透鏡設計的基礎，選型是否合適關(guān)系到以后的設計是否成功。一個(gè)不好的初始結構，再好的自動(dòng)設計程序和有經(jīng)驗的設計者也無(wú)法使設計獲得成功。

三、象差校正和平衡
初始結構選好后，要在計算機上用光學(xué)計算程序進(jìn)行光路計算，算出全部象差及各種象差曲線(xiàn)。從象差數據分析就可以找出主要是哪些象差影響光學(xué)系統的成象質(zhì)量，從而找出改進(jìn)的辦法，開(kāi)始進(jìn)行象差校正。象差分析及平衡是一個(gè)反復進(jìn)行的過(guò)程，直到滿(mǎn)足成象質(zhì)量要求為止。

四、象質(zhì)評價(jià)

光學(xué)系統的成象質(zhì)量與象差的大小有關(guān)，光學(xué)設計的目的就是要對光學(xué)系統的象差給予校正。但是任何光學(xué)系統都不可能也沒(méi)有必要把所有象差都校正到零，必然有剩余象差的存在，剩余象差大小不同，成象質(zhì)量也就不同。因此光學(xué)設計者必須對各種光學(xué)系統的剩余象差的允許值和象差公差有所了解，以便根據剩余象差的大小判斷光學(xué)系統的成象質(zhì)量。評價(jià)光學(xué)系統的成象質(zhì)量的方法很多，下面簡(jiǎn)單介紹一下象質(zhì)評價(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象差不超過(guò)1/4 波長(cháng)。其是一種較為嚴格的象 質(zhì)評價(jià)方法，適用于小象差系統如：望遠鏡、顯微物鏡等。

2．分辨率

分辨率是反映光學(xué)系統分辨物體細節的能力。當一個(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(kāi)的界限。

3．點(diǎn)列圖

由一點(diǎn)發(fā)出的許多光線(xiàn)經(jīng)光學(xué)系統以后，由于象差，使其與象面的交點(diǎn)不現集 中于同一點(diǎn)，而形成一個(gè)分布在一定范圍內的彌散圖形，稱(chēng)之為點(diǎn)列圖。通常 用集中30%以上的點(diǎn)或光線(xiàn)的圓形區域為其實(shí)際有效的彌散斑，它的直徑的倒 數，為系統能分辨的條數。其一般用于評價(jià)大象差系統。

4．光學(xué)傳遞函數

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 數展開(kāi)為傅里葉級數或傅里葉積分。把光學(xué)系統看作是線(xiàn)性不變系統，這樣物體經(jīng)光學(xué)系統成象，可視為不同頻率的一系列正弦分布線(xiàn)性系統的傳遞。傳遞的特點(diǎn)是頻率不變，但對比度下有所下降，相位發(fā)生推移，并截止于某一頻率。對比度的降低和位相的推移隨頻率而異，它們之間的函數關(guān)系稱(chēng)為光學(xué)傳遞函數。由于光學(xué)傳遞函數與象差有關(guān)，故可用來(lái)評價(jià)光學(xué)系統成象質(zhì)量。它具有客觀(guān)、可*的優(yōu)點(diǎn)，并且便于計算和測量，它不僅能用于光學(xué)設計結果的評價(jià)，還能控制光學(xué)系統設計的過(guò)程、鏡頭檢驗、光學(xué)總體設計等各方面。

各類(lèi)鏡頭的設計差別