光學設計必備基礎理論:實際光學系統

2021-02-24 光電資訊

學好光學設計需要學習一些基礎理論，今天為大家帶來的是關於實際光學系統的一些內容，大家一起學學吧，也可以後面留言討論！

一個光學系統除了要考慮高斯光學的有關問題，諸如物像共軛位置、放大率、轉像和轉折光路等以外，還需考慮成像範圍的大小、成像光束孔徑角的大小、成像波段的寬窄以及像的清晰度和照度等一系列問題。
滿足一系列要求的實際光學系統往往不是幾個透鏡的簡單組合，而由一系列透鏡、曲面反射鏡、平面鏡、反射稜鏡和分劃板等多種光學零件組成，並且要通過合理設置光闌、精細校正像差和恰當確定光學零件的橫向尺寸等手段才能得到合乎需要的高質量系統。光闌

光學系統的各個光學零件都由各自的鏡框限定其通光孔，絕大多數情況下是圓孔。有時還在系統中加入固定的或可變的專設光孔。

在所有這些光孔中,一定有一個光孔起著限制軸上點成像光束孔徑角的作用；另外有一個光孔起著限制成像範圍的作用。這樣的光孔稱為光闌：前者稱孔徑光闌或有效光闌；後者稱視場光闌。任何光學系統必定存在這樣二個光闌。在目視光學系統中，眼睛的瞳孔也必須作為系統的一個光孔來考慮。

孔徑光闌、入射光瞳、出射光瞳 　由於軸上點的成像光束被孔徑光闌所限制，易於想到，將系統的所有光孔分別通過其前面的光學零件成像於物空間時，其中對軸上物點張角為最小的那個像，或當物在無窮遠時孔徑為最小的那個像所對應的光孔，一定是孔徑光闌。

孔徑光闌在物空間的像稱為入射光瞳，其對物點的張角稱為物方的光束孔徑角。同樣，孔徑光闌被其後面的光學零件成在像空間的像，稱為出射光瞳，它一定也是對軸上像點張角為最小的一個光孔像，這個張角是像方的光束孔徑角。

入射光瞳、孔徑光闌與出射光瞳三者是共軛的。如果忽略光闌像差，入射光瞳是物面上各點成像光束的公共入口；出射光瞳是成像光束的公共出口。

通過孔徑光闌中心的光線叫主光線，因共軛關係，它也通過入射光瞳中心和出射光瞳中心。因此，一般講主光線是成像光束的中心線。

有關因素

孔徑光闌在光學系統中的位置與很多因素有關。在某些系統中有特定的要求，例如，目視光學系統一定要使出射光瞳位於目鏡之外，以便眼睛的瞳孔能與之重合；遠心系統中應使孔徑光闌位於焦點上。此外，孔徑光闌的位置還與像差校正和系統各光學零件的橫向尺寸有關，應在設計時合理確定。

視場光闌、入射窗、出射窗

視場光闌是光學系統中決定其成像範圍的一個光孔。在有中間實像平面的系統（例如克卜勒望遠鏡和顯微鏡）和有實像平面的系統（例如攝影系統）中，視場光闌都設置在這種像平面上。視場光闌被其前面的光學零件在物空間中所成的像稱為入射窗，它對入射光瞳中心所張的角度是所有光孔像中最小者,這個角度稱為視場角。

同樣,視場光闌被其後面的光學零件在像空間所成的像稱為出射窗。入射窗、視場光闌和出射窗也是共軛的。當視場光闌設置在實像平面或中間實像平面上時，入射窗和出射窗分別與物平面和像平面重合，此時視場有明晰的邊界。

在無實像或中間實像平面的場合，例如眼睛通過放大鏡或伽利略望遠鏡觀察時，系統中也總有一個零件，它的通光孔徑起著限制視場的作用，上述二情況中，放大鏡本身孔徑和望遠鏡物鏡的孔徑就是決定可見視場範圍的視場光闌。顯然，此時入射窗不與物平面重合，無明晰的視場邊界。

漸暈現象

在理想情況下，軸上點和軸外點的光束都受孔徑光闌的限制，有基本相同的光束孔徑角，如果視場不太大，整個視場的像面照度基本均勻。然而在實際光學系統中，軸外點成像光束往往受其他光學零件通光孔的限制，結果是軸外點的光束孔徑角比軸上點的小得多。

這是因為要使軸外點也以充滿入射光瞳的光束成像時,那些遠離孔徑光闌的透鏡需要有相當大的直徑,並且對全孔徑軸外光束校正像差也非常困難。因此，為了改善軸外點的成像質量、也為了光學零件的橫向尺寸不特別大，常用適當減小某幾個透鏡直徑的方法來對軸外光束作必要的限制。

這種軸外點發出充滿入射光瞳的光束被某些光學零件部分攔截而不能全部通過光學系統的現象，稱為光束漸暈。

成像光束

物點的成像光束是一個以物點為頂點，以入射光瞳為底的空間光錐。此光束經過光學系統以後，其結構會發生變化，對於軸對稱光學系統（絕大多數系統屬這一類）,軸上點光束總具有對稱性質,但軸外點光束經系統後失去對稱。為便於了解這種光束的結構，通常取其二個特徵面上的平面光束來進行描述。

子午平面、子午光束 　包含軸外物點和光軸的平面稱為子午平面。由於光學系統的軸對稱性質，軸外物點總可取在作圖平面上，即紙平面就是子午平面。位於子午平面上的光束稱為子午光束。顯然，主光線一定是子午光束中的一條光線。

弧矢平面、弧矢光束 　包含主光線並與子午平面垂直的平面稱為弧矢平面。位於弧矢平面上的光束稱為弧矢光束。顯然，主光線就是子午平面與弧矢平面的交線。由於主光線要經系統各個表面的折射、反射而改變其方向，所以，弧矢平面也逐面發生變化而不是一個統一的平面。

由於光學系統的軸對稱性，軸上點光束無需區分子午光束與弧矢光束，軸外點光束則一定是對子午平面對稱的。

像差

透鏡（或透鏡組）所成的像與原物面貌不是準確相似的現象。由於物點發出的光線與透鏡主軸交角太大，離軸較遠或透鏡材料的折射率隨光的波長而變等原因造成。像差大小反映成像品質的優劣。

像差主要有7種；對單色光有5種，即球差、彗差、像散和像面彎曲及畸變。對於複色光還有兩種色差，即軸向色差和垂軸色差。儘量消除或減少這些像差是設計光具組的一項重要任務。

Zemax

Zemax這是一套綜合性的光學設計軟體。它集成了光學系統所有的概念、設計、優化、分析、公差分析和文件整理功能。Zemax所有的這些功能都有一個直觀的接口，它們具有功能強大、靈活、快速、容易使用等優點。

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