【文章內(nèi)容簡介】 儀器的用途和使用條件必然會對它的光學系統(tǒng)提出一定的要求。因此，在進行光學設計之前一定要了解對光學系統(tǒng)的要求。這些要求概括起來有以下幾個方面。光學系統(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、共軛距等。系統(tǒng)的外形尺寸，即系統(tǒng)的軸向尺寸和徑向尺寸。在設計多光組的復雜光學系統(tǒng)時，如一些軍用光學系統(tǒng)，外形尺寸計算以及各光組之間光瞳的銜接都是很重要的。成像質(zhì)量的要求和光學系統(tǒng)的用途有關(guān)。不同的光學系統(tǒng)按其用途可提出不同的成像質(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像質(zhì)量。對于照相物鏡則要求整個視場都要有較好的成像質(zhì)量。根據(jù)儀器的便用條件，要求光學系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性、抗振性、耐熱性和耐寒性等，以保證儀器在特定的環(huán)境下能正常工作。在對光學系統(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。例如生物顯微鏡的視覺放大率Γ,一定要按有效放大率的條件來選取，即滿足500NA＜Γ＜1000NA條件。過大的放大率是沒有意義的，只有提高數(shù)值孔徑(NA)才能提高有效放大率。對于望遠鏡的視覺放大率Γ，一定要把望遠系統(tǒng)的極限分辨率和眼睛的極限分辨率放在一起來考慮。在眼睛的極限分辨率為139。時，望遠鏡的正常放大率應該是Γ=D/，式中D是入瞳直徑。實際上，在多數(shù)情況下，按儀器用途所確定的放大率常大于正常放大率，這樣可以減輕硯察者眼睛的疲勞度。對于一些手持的觀察望遠鏡。它的實際放大率比正常放大率低，以便具備較大的出瞳直徑，從而增加觀察時的光強度。因此望遠鏡的工作放大率應按下式選取: ≤?！? （）有時對光學系統(tǒng)提出的要求是互相矛盾的。這時沖應進行深人分析，全面考慮，抓住主要矛盾，切忌提出不合理的要求。例如在設計照相物鏡時，為了使相對孔徑、視場角和焦距三者之間的選擇更加合理，應該參照下列關(guān)系式來選擇這三個參數(shù): Dftanωf39。100=Cm （） 式中，Cm=~，稱為物鏡的質(zhì)量因數(shù)。實際計算時，取Cm=。當Cm＜，則光學系統(tǒng)的像差校正就不會發(fā)生困難。當Cm＞。則系統(tǒng)的像差很難校正，成像質(zhì)量彼差。但是，隨著高折射率玻璃酌出現(xiàn)、光學設計方法的完善，光學零件制造水平的提高以及裝調(diào)工藝酌完善，Cm值也在逐漸提高?？傊瑢鈱W系統(tǒng)提出的要求要合理，保證在技術(shù)上和物理上均能夠?qū)崿F(xiàn)，并且要具有良好的工藝性和經(jīng)濟性。 第四章 寬視場數(shù)碼鏡頭設計 OSLO簡介[，作為光學設計軟件介紹一節(jié)]1．OSLO 概述OSLO 是 Optics Software for Layout and Optimization 的縮寫。 OSLO 主要用于照相機、通訊系統(tǒng)、軍事/空間應用、科學儀器中的光學系統(tǒng)設計，特別當需要確定光學系統(tǒng)中光學元件的最佳大小和外形時，該軟件能夠體現(xiàn)出強大的優(yōu)勢。此外，OSLO也用于模擬光學系統(tǒng)的性能，并且能夠作為一種開發(fā)軟件去開發(fā)其他專用于光學設計、測試和制造的軟件工具。 2．OSLO 的設計能力 幾乎任何一個涉及到光波傳播的光學系統(tǒng)都可以使用OSLO進行設計，以下是一些典型的應用示例： 常規(guī)鏡頭Conventional Lenses 縮放鏡頭Zoom Lenses 高斯光束/激光腔Gaussian Beam/Laser Cavities 光纖耦合光學Fiber Coupling Optics 照明系統(tǒng)Illumination Systems 非連續(xù)傳播系統(tǒng)NonSequential Propagation Systems 偏振光學PolarizationSensitive Optics 高分辨率成像系統(tǒng)HighResolution Imaging Systems 此外，OSLO還可以設計具有梯度折射率表面、非球面、衍射面和光學全息、透鏡矩陣、干涉測量儀等光學系統(tǒng)。OSLO不適于波導設計，也不適于眼鏡設計。 3．OSLO 的主要特征 OSLO 是一個具有上千條內(nèi)部命令和函數(shù)的非常大的程序，而且， OSLO的可執(zhí)行模塊能夠被用戶按規(guī)則進行修改和重新編譯，因而，其功能非常強大。以下是OSLO的一些總體特征概括： 具有透鏡和材質(zhì)數(shù)據(jù)庫Lens and Material Databases 具有特殊表面數(shù)據(jù)Special Surface Data 縮放和多配置系統(tǒng)Zoom and Multiconfiguration Systems 透鏡矩陣和非連續(xù)組件Arrays and NonSequential Groups 特殊孔徑Special Apertures 公差和元件數(shù)據(jù)Tolerance and Element Data 偏振和光學薄膜Polarization and Thin Film Coatings 光線追跡Ray tracing 衍射和部分相干Diffraction and Partial Coherence 優(yōu)化方法Optimization Methods 誤差分析Tolerance Analysis 激光、光纖和高斯光束Lasers, Fibers, and Gaussian Beams 照明系統(tǒng)Illumination Analysis 完美透鏡Perfect Lenses and Eikonals 4．OSLO 與其他軟件的比較 盡管大多數(shù)光學設計軟件具有一定的相似性，但是在功能上和設計方法上還是存在很大的差異。OSLO在光學設計的“競爭”中已經(jīng)成為一個主流的光學設計軟件。雖然OSLO 的歷史可以追溯到二十世紀六十年代早期，但是它在本質(zhì)上是一個面對對象的windows 程序，具有唯一的內(nèi)置應用程序管理器/編譯器，在桌面計算機上能夠提供非常高的性能。 5．OSLO 的主要優(yōu)點 OSLO是以設計者為導向設計風格。OSLO 著重交互性的光學設計，在設計過程中，計算機向設計者提供容易理解的反饋信息。這使得設計者能夠及時作出取舍決定，選擇最佳的解決方案。OSLO 在使用交互性設計控制方面是獨特的，這使得它的用戶界面盡可能的直觀。 OSLO功能強大并且精確度高。OSLO 使用先進的光學設計技術(shù)，包括多重優(yōu)化和公差方法，高性能非連續(xù)光線追跡和隨機的光源建模與分析。OSLO 是第一個出現(xiàn)在桌面計算機上使用的嚴格的光學設計軟件，并且與其他軟件相比更得到廣闊的發(fā)展。OSLO 能夠在世界范圍內(nèi)成為主導的設計工具的一個主要原因是，它很容易根據(jù)用戶需要進行定制，并且能夠?qū)⒊绦蚋木幊商厥獾男枰?。這是因為OSLO 使用先進的軟件技術(shù)，將Windows 的功能帶進技術(shù)計算領(lǐng)域。事實上，OSLO 提供的 CCL 語言相對于 Sun 公司的 Java 語言或Microsoft的 Visual Basic 以及其他光學設計軟件的宏語言具有更好的靈活性。 [第四章直接從這里開始]CCD 在圖像傳感領(lǐng)域的迅速發(fā)展, 成為現(xiàn)代光電子學和測試技術(shù)中最為引人關(guān)注的研究熱點之一。在科研領(lǐng)域, 由于CCD 具有靈敏度高、噪聲低、成本低、小而輕等優(yōu)點, 已成為研究宏觀(如天體) 和微觀(如生物細胞) 現(xiàn)象不可缺少的工具。在國防軍事領(lǐng)域, CCD 成像技術(shù)在微光、夜視及遙感應用中發(fā)揮著巨大的作用。隨著人們生活水平的提高，對影象拍照得要求越來越高，以CCD為感光元件的數(shù)碼相機成為相機市場的主力軍。在成像領(lǐng)域中, CCD已逐步取代了真空攝像管的成像系統(tǒng)。CCD 攝像機通過光學鏡頭將外界的景物成像在CCD 光敏面上, 因此鏡頭的成像質(zhì)量是決定CCD 攝像機性能的關(guān)鍵因素之一。在數(shù)碼相機應用中, 需要采用大視場光學鏡頭, 在保證成像質(zhì)量的前提下, 還要將盡可能多的能量集中到CCD 光敏面上, 以提高系統(tǒng)的探測距離。本課題的目的是設計數(shù)碼相機鏡頭，能夠?qū)崿F(xiàn)大視場成像，且成像質(zhì)量滿足設計要求。寬視場鏡頭具有大于100176。的視場且為倒置望遠設計。如此大的視場導致很大的畸變，大到我們實在不該如此引用畸變。寬視場鏡組焦距長，但在考慮到大的畸變下也是無意義的。 Y 為像高（從光軸量到像的中心）以及Q 為半視角，然后在無畸變下對一遠方物體Y=FtanQ 。在魚眼透鏡中，Y＝ Q（Laikin, 1980）。也就是說，像高近乎為視場角的線性函數(shù)。在增加視場角之下，入射光瞳從透鏡內(nèi)移動到透鏡前端。當檢視將鏡組，這光瞳的移動是非常明顯的。在設計時要考慮到瞳孔像差，在不同視角下光線的起始數(shù)據(jù)必須時常重新調(diào)整。在分析與MTF 計算時，不同波長下的起始數(shù)據(jù)也必須調(diào)整。在初步的設計時間，計算起始的瞳孔偏移量是件苦差事。為此，我修正了一個光線追縱程序來追蹤在某小視角下的主光線。在光圈上的橫軸高度是用來計算（用簡單的部分）在入射光瞳上的新值。在少量的重復下主光線被找到了。然后瞳孔偏移的數(shù)據(jù)被適配到一個三次方程式來預知下個視場角縱向偏移的起始值。通常用的是2176。的增加量。這些所有的計算會自動執(zhí)行，所花費的時間只比打印該數(shù)據(jù)多一點。計算機程序應該要允許EFL 能隨心所欲地改變，畸變能夠忽略，且只保持不同視角的像高。由于焦距很短，軸上的第二色差就不是問題了。然而大的視角使得橫向第二色差不能被忽略。大的畸變造就了唯一的問題；透鏡像差對于物距變化敏感。為求方便，首先我設計了位于無限遠共軛的投影鏡頭。然后為了最后幾個計算機的運算，我引入了有限共軛與屏幕曲率。然而，接下來的例子全都描述無限共軛且對可見光范圍作了修正。圖91 顯示一個100176。FOV， f / 2 照像鏡頭。這是設計用來拍攝35mmAcademy 型式底片（）。資料為表41。從光線圖中注意到這個鏡組具有近乎□的出射光瞳。對于照像鏡頭而言，這是無形的；然而如果該鏡組是用來投影，必須在底片柵門與弧形光源間置入負透鏡，以使弧形影像正確地定位或?qū)τ谡_出射光瞳的正確位置來重新設計鏡頭。圖41 100176。寬視場照像鏡 圖42 100176。寬視場照像鏡組圖41給出了入射光瞳的軸上位置。這個值表示光瞳沿著光軸朝向鏡片前端偏移。壓縮量是入射光瞳在切線方向上，以軸向大小為基準的比值。這個透鏡最大的像差是第二色差。圖42為鏡頭鏡頭組示意圖。初始結(jié)構(gòu)設計完成優(yōu)化是光學系統(tǒng)設計過程中最重要的一步，一般來說初始結(jié)構(gòu)的像質(zhì)并不是很理想的，只有經(jīng)過優(yōu)化才能使光學系統(tǒng)的性能達到我們需要的狀態(tài)。一般說來，光學系統(tǒng)的高級像差是無法校正的，我們只能把它降到允許的范圍內(nèi)，然后改變初級像差的符號和數(shù)量，把初級像差和高級像差降到最小，便系統(tǒng)達到