光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(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(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(yuǎn)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(gè)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(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、象差校正和平衡以及象質(zhì)評價(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(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，過高要求會使設(shè)計(jì)結(jié)果復(fù)雜造成浪費(fèi)，過低要求會使 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(jì)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(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、象差校正和平衡
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(jìn)的辦法，開始進(jìn)行象差校正。象差分析及平衡是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行的過程，直到滿足成象質(zhì)量要求為止。

四、象質(zhì)評價(jià)

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(jì)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(jì)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(jià)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(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1/4 波長。其是一種較為嚴(yán)格的象 質(zhì)評價(jià)方法，適用于小象差系統(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，由于象差，使其與象面的交點(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)。其一般用于評價(jià)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(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(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(jià)光學(xué)系統(tǒng)成象質(zhì)量。它具有客觀、可*的優(yōu)點(diǎn)，并且便于計(jì)算和測量，它不僅能用于光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果的評價(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。

各類鏡頭的設(shè)計(jì)差別