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光学设计简介
信息分类:技术交流 发布时间:2009/11/13 浏览量:2373

           

          众所周知,光线的传播遵循三条基本定律:光线的直线传播规律:即光在均匀媒质中沿直线方向传播;光线的独立传播规律,即两束光在传播途中相遇时互不干扰,仍按各自的途径继续传播,而当两束光汇聚于同一点时在该点上的光能量是简单的相加;反射定律和折射定律,即光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时,一部分反射另一部分折射,反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。

基于上述光线传播的基本定律,可以计算出光线在光学系统中的传播路径。这种计算过程称为光线追迹,是设计光学系统时必须进行的工作。

 

  几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学,或称近轴光学。它通常只讨论对某一轴线(即光轴)具有旋转对称性的光学系统。如果从物点发出的所有光线经光学系统以后都交于同一点,则称此点是物点的完善像。

 

利用光学系统的近轴区可以获得完善像,但没有什么实用价值。因为近轴区只有很小的孔径和很小的视场,而光学系统的功能,包括对物体细节的分辨能力,对光能量的传递能力以及传递光学信息的多少等,正好是被这两个因素所决定的。要使光学系统有良好的功能,其孔径和视场要远比近轴区所限定的为大。

 

当光学系统的孔径和视场超出近轴区时,成像质量会逐渐下降,这是因为自然点发出的光束中,远离近轴区的那些光线在系统中的传播光路偏离理想途径,而不再相交于高斯像点之故。这时,一点的像不再是一个点,而是一个模糊的弥散斑,物平面的像不再是一个平面,而是一个曲面,而且像相对于物还失去了相似性。所有这些成像缺陷,称为像差。

 

用单色光成像时,有五种不同性质的像差,即球差、慧差、像散、场曲和畸变。前三种像差破坏了点点对应。其中,球差使物点的像成为圆形弥散圆,慧差造成彗星状弥散斑,而像散则导致椭圆形弥散斑。场曲使物平面的像面弯曲,畸变使物体的像变形。

 

用较宽波段的复色光成像时,会产生色差。色差分两种:位置色差和倍率色差。前者导致不同的色光有不同的成像位置,后者导致不同的色光有不同的成像倍率。两者都使像带色而严重影响成像质量。

 

一个光学系统必须满足一系列要求,包括:放大率,物像共轭距,转像和光轴转折等高斯光学要求;孔径和视场等性能要求,以及校正像差和成像质量等方面的要求。这些要求都需要在设计时予以考虑和满足。因此,光学系统设计应包括:对光学系统进行整体安排,并计算和确定系统或系统的各个组成部分的有关高斯光学参量和性能参量;确定系统或系统各组成部分的结构形式并计算其初始结构参量;校正和平衡像差;评价像质。

 

 像差与光学系统结构参量(如透镜厚度,表面曲率半径等)之间的关系极其复杂,不可能以具体的函数式表达出来,因而无法采用解方程之类的办法直接由像差要求计算出系统的精确结构参量。现在能做到的是求得满足初级像差要求的解。

 

 初级像差是实际像差的近似表示,仅在孔径和视场较小时能反映实际的像差情况,因此,按初级像差要求求得的解只是初始的结构参量,需对其进行修改才能达到像差的进一步校正和平衡,在这一过程中,传统的做法是根据追迹光线得到的像差数据及其在系统各面上的分布情况,进行分析,判断,找出对像差影响大的参量,加以修改,然后再追迹光线求出新的像差数据加以评价。如此反复修改,直到把应该考虑的各种像差都校正和平衡到符合要求为止。这是一个极其繁杂和费时很多的过程。

 

 电子计算机的问世和应用,给光学设计工作以很大的促进。光学自动设计能根据系统各个结构参量对像差的影响,同时修改对像差有校正作用的所有参量,使各种像差同时减小,因此能充分发挥各个结构参量对像差的校正作用,不仅加快了设计速度,也提高了设计质量。

 

 在光学自动设计中,需构造一个既便于计算机作判断又能反映所设计系统像质优劣的评价函数,以引导计算机对结构参量进行修改。通常用加权像差的二次方之和构成评价函数,它是系统结构参量的函数。每修改一次结构参数(称为一次迭代)都会引起评价函数值的变化,如果有所降低,就表示像差有所减小,像质有所提高。

 

 结构参量的改变要有一定的约束,以保证有关边界条件得到满足。所以,所谓光学自动设计,就是在满足边界条件的前提下,经过若干次迭代,由计算机自动找出一组结构参量,使其评价函数为极小值。现在用于光学自动设计的数学方法很多,较为有效已为大家所采用的有阻尼最小二乘法,标准正交化法和适应法等。

 

 

 

 

 

 

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