光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計有哪些要求

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

    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)值孔徑或相對孔徑；線視場或視場角；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)計多光組的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)時，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(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象質(zhì)量要求。對于望遠系統(tǒng)和一般的顯微鏡只要求中心視場有較好的成象質(zhì)量；對于照相物鏡要求整個視場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(tǒng)提出使用要求時，一定要考慮在技術(shù)上和物理上實現(xiàn)的可能性。如生物顯微鏡的放大率Г要滿足500NA≤Г≤1000NA 條件，望遠鏡的視覺放大率一定要把望遠系統(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)計過程

    所謂光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計就是根據(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)計過程分為4 個階段：外形尺寸計算、初始結(jié)構(gòu)計算、象差校正和平衡以及象質(zhì)評價。

    一、外形尺寸計算 

    在這個階段里要設(shè)計擬定出光學(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、線視場或角視視場、數(shù)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，常把這個階段稱為外  形尺寸計算。一般都按理想光學(xué)系統(tǒng)的理論和計算公式進行外形尺寸計算。在  計算時一定要考慮機械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)，以防止在機構(gòu)結(jié)構(gòu)上無法實現(xiàn)。每項 性能的確定一定要合理，過高要求會使設(shè)計結(jié)果復(fù)雜造成浪費，過低要求會使  設(shè)計不符合要求，因此這一步驟慎重行事。

    二、初始結(jié)構(gòu)的計算和選擇、初始結(jié)構(gòu)的確定常用以下兩種方法：

    1．根據(jù)初級象差理論求解初始結(jié)構(gòu)

    這種求解初始結(jié)構(gòu)的方法就是根據(jù)外形尺寸計算得到的基本特性，利用初級象差理論來求解滿足成象質(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) 這是一種比較實用又容易獲得成功的方法。因此它被很多光學(xué)設(shè)計者廣泛采用。但其要求設(shè)計者對光學(xué)理論有深刻了解，并有豐富的設(shè)計經(jīng)驗，只有這 樣才能從類型繁多的結(jié)構(gòu)中挑選出簡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)計的基礎(chǔ)，選型是否合適關(guān)系到以后的設(shè)計是否成功。一個不好的初始結(jié)構(gòu)，再好的自動設(shè)計程序和有經(jīng)驗的設(shè)計者也無法使設(shè)計獲得成功。
 
    三、象差校正和平衡
初始結(jié)構(gòu)選好后，要在計算機上用光學(xué)計算程序進行光路計算，算出全部象差及各種象差曲線。從象差數(shù)據(jù)分析就可以找出主要是哪些象差影響光學(xué)系統(tǒng)的成象質(zhì)量，從而找出改進的辦法，開始進行象差校正。象差分析及平衡是一個反復(fù)進行的過程，直到滿足成象質(zhì)量要求為止。
  
    四、象質(zhì)評價 

    光學(xué)系統(tǒng)的成象質(zhì)量與象差的大小有關(guān)，光學(xué)設(shè)計的目的就是要對光學(xué)系統(tǒng)的象差給予校正。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(shè)計者必須對各種光學(xué)系統(tǒng)的剩余象差的允許值和象差公差有所了解，以便根據(jù)剩余象差的大小判斷光學(xué)系統(tǒng)的成象質(zhì)量。評價光學(xué)系統(tǒng)的成象質(zhì)量的方法很多，下面簡單介紹一下象質(zhì)評價的方法。
 
    1．瑞利判斷

    實際波面與理想波面之間的最大波象差不超過1/4 波長。其是一種較為嚴格的象 質(zhì)評價方法，適用于小象差系統(tǒng)如：望遠鏡、顯微物鏡等。

    2．分辨率

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

    3．點列圖

    由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)以后，由于象差，使其與象面的交點不現(xiàn)集  中于同一點，而形成一個分布在一定范圍內(nèi)的彌散圖形，稱之為點列圖。通常  用集中30%以上的點或光線的圓形區(qū)域為其實際有效的彌散斑，它的直徑的倒  數(shù)，為系統(tǒng)能分辨的條數(shù)。其一般用于評價大象差系統(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)成象，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(shù)關(guān)系稱為光學(xué)傳遞函數(shù)。由于光學(xué)傳遞函數(shù)與象差有關(guān)，故可用來評價光學(xué)系統(tǒng)成象質(zhì)量。它具有客觀、可*的優(yōu)點，并且便于計算和測量，它不僅能用于光學(xué)設(shè)計結(jié)果的評價，還能控制光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的過程、鏡頭檢驗、光學(xué)總體設(shè)計等各方面。

    各類鏡頭的設(shè)計差別 
  
    一、照相鏡頭

    照相鏡頭的光學(xué)特性可由三個參數(shù)來表示，即照相鏡頭的焦距f'、相對孔徑D/f'和視場角2ω'。其實就135 照相機而言，其標(biāo)準畫幅已確定為24mm X 36mm，則其對角線長度為2D=43.266。從下表我們可以得出照相機鏡頭的焦距f'和視場角ω'之間存在著以下關(guān)系： 

式中：2D——畫幅的對角線長度； f'——鏡頭的焦距。

    照相機鏡頭的另一個最重要的光學(xué)特征指標(biāo)是相對孔徑。它表示鏡頭通過光線的能力，用D/f'表示。它定義為鏡頭的光孔直徑（也稱入瞳直徑）D 與鏡頭焦距f'之比相對孔徑的倒數(shù)稱為鏡頭的光圈系數(shù)或光圈數(shù)，又稱F 數(shù)，即F=f'/D。當(dāng)焦距f'固定時，F(xiàn) 數(shù)與入瞳直徑D 成反比。由于通光面積與D 的平方成正比，通光面積越大則鏡頭所能通過的光通量越大。因此當(dāng)光圈數(shù)在最小數(shù)時，光孔最大，光通量也最大。隨著光圈數(shù)的加大，光孔變小，光通量也隨之減少。如果不考慮各種鏡頭透過率差異的影響，不管是多長焦距的鏡頭，也不管鏡頭的光孔直徑有多大，只要光圈數(shù)值相同，它們的光通量都是一樣的。對照相機鏡頭而言，F(xiàn) 數(shù)是個特別重要的參數(shù)，F(xiàn) 數(shù)越小，鏡頭的適用范圍越廣。與目視光學(xué)系統(tǒng)相比，照相物鏡同時具有大相對孔徑和大視場，因此，為了使整個象面都能看到清晰的并與物平面相似的象，差不多要校正所有七種象差。照相物鏡的分辨率是相對孔徑和象差殘余量的綜合反映。在相對孔徑確定后，制定一個既滿足使用要求，又易于實現(xiàn)的象差最佳校正方案。為方便起見，往往采用“彌散圓半徑”來衡量象差的大小，最終則以光學(xué)傳遞函數(shù)對成象質(zhì)量作出評價。

   近年來興起的數(shù)位相機鏡頭同上述的傳統(tǒng)相機鏡頭的特性和設(shè)計評價上大同 Bm. 不異，其主要差別有： 

    1．相對孔徑較傳統(tǒng)相機大。

    2．較短的焦距，使得景深范圍增大?？筛鶕?jù)視場角的大小算出相當(dāng)傳統(tǒng)相機鏡 頭的焦距值F’=43.266/（2*tgω）。

    3．較高的分辨率，根據(jù)光電器件的PIXEL 的大小，一般數(shù)位鏡頭光學(xué)設(shè)計要達到1/（2*PIXEL）線對。

    二、投影鏡頭

    投影物鏡是將被照明的物成一明亮清晰的實像在屏幕上，一般講，像距比焦距大的多，所以物平面在投影物鏡物方焦平面外側(cè)附近。

    投影物鏡的放大率是測量精度、孔徑大小、觀測范圍和結(jié)構(gòu)尺寸的的重要參數(shù)。放大率愈大，測量精度愈高，物鏡孔徑愈大。當(dāng)工作距離一定時，放大率愈大，共軛距愈大，投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸越大。由于其是起放大作用，自光學(xué)知識可知，像面中心照度與相對孔徑平方成正比，可用增大相對孔徑的方法來增加象面照度。

    液晶式投影機上所用的投影鏡頭同傳統(tǒng)的投影物鏡的區(qū)別：

    1．相對孔徑較大。

    2．出瞳距長，即需要設(shè)計成近遠心光路。

    3．工作距離長。 

    4．解像力高. 

    5．畸變要求高.

    以上幾點，皆使得用于LCD 投影機上的投影物鏡較傳統(tǒng)的要復(fù)雜的多，一般要10 個鏡片左右，而傳統(tǒng)的一般只要3 個鏡片就能達到。

    三、掃描鏡頭

    掃描物鏡可用三個光學(xué)特性來表示，即相對孔徑、放大率和共軛距。放大率是掃描物鏡的一個重要指標(biāo)，由于一般物體大小是固定的，故放大率愈小，意味著鏡頭的像面愈小，焦距也就愈短，相對來講掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以做的更小，但同時要求鏡頭的解像力也愈高。共軛距是指物像之間的長度，對鏡頭來講，一般希望其愈長愈好，共軛距愈短，意味著鏡頭愈難設(shè)計（視場角增大）。其原理圖同照相物鏡一樣，是一個縮小的過程。

    掃描物鏡的設(shè)計特點：

    1．掃描物鏡屬于小孔徑小象差系統(tǒng)，要求的光學(xué)解像力較高。 ,

    2．由于光電器件的原因，不僅要校正白光（混合光）的象差，同時需要考慮R、 G、B 三種獨立波長的象差。

    3．嚴格校正畸變象差。<--Content End-->