光學系統的基本特性

任何一種光學儀器的用途和使用條件必然會對它的光學系統提出一定的要求，因此，在我們進行光學設計之前一定要了解對光學系統的要求。這些要求概括起來有以下幾個方面。

一、光學系統的基本特性

光學系統的基本特性有：數值孔徑或相對孔徑；線視場或視場角；系統的放大率或焦距。此外還有與這些基本特性有關的一些特性參數，如光瞳的大小和位置、后工作距離、共軛距等。

二、系統的外形尺寸

系統的外形尺寸，即系統的橫向尺寸和縱向尺寸。在設計多光組的復雜光學系統時，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、成象質量

成象質量的要求和光學系統的用途有關。不同的光學系統按其用途可提出不同的成象質量要求。對于望遠系統和一般的顯微鏡只要求中心視場有較好的成象質量；對于照相物鏡要求整個視場都要有較好的成象質量。

四、儀器的使用條件

在對光學系統提出使用要求時，一定要考慮在技術上和物理上實現的可能性。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的極限分辨率和眼睛的極限分辨率一起來考慮。

光學系統設計過程

所謂光學系統設計就是根據使用條件，來決定滿足使用要求的各種數據，即決定光學系統的性能參數、外形尺寸和各光組的結構等。因此我們可以把光學設計過程分為4 個階段：外形尺寸計算、初始結構計算、象差校正和平衡以及象質評價。

一、外形尺寸計算

在這個階段里要設計擬定出光學系統原理圖，確定基本光學特性，使滿足給定的技術要求，即確定放大倍率或焦距、線視場或角視視場、數值孔徑或相對孔徑、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。一般都按理想光學系統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構和電氣系統，以防止在機構結構上無法實現。每項性能的確定一定要合理，過高要求會使設計結果復雜造成浪費，過低要求會使設計不符合要求，因此這一步驟慎重行事。

二、初始結構的計算和選擇、初始結構的確定 常用以下兩種方法：

1.根據初級象差理論求解初始結構

這種求解初始結構的方法就是根據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量要求的初始結構。

2.從已有的資料中選擇初始結構

這是一種比較實用又容易獲得成功的方法。因此它被很多光學設計者廣泛采

用。但其要求設計者對光學理論有深刻了解，并有豐富的設計經驗，只有這

樣才能從類型繁多的結構中挑選出簡單而又合乎要求的初始結構。

初始結構的選擇是透鏡設計的基礎，選型是否合適關系到以后的設計是否成

功。一個不好的初始結構，再好的自動設計程序和有經驗的設計者也無法使設計獲得成功。

三、象差校正和平衡

初始結構選好后，要在計算機上用光學計算程序進行光路計算，算出全部象差及各種象差曲線。從象差數據分析就可以找出主要是哪些象差影響光學系統的成象質量，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進行的過程，直到滿足成象質量要求為止。

四、象質評價

光學系統的成象質量與象差的大小有關，光學設計的目的就是要對光學系統的象差給予校正。但是任何光學系統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，成象質量也就不同。因此光學設計者必須對各種光學系統的剩余象差的允許值和象差公差有所了解，以便根據剩余象差的大小判斷光學系統的成象質量。評價光學系統的成象質量的方法很多，下面簡單介紹一下象質評價的方法。

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評價方法，適用于小象差系統如：望遠鏡、顯微物鏡等。

2.分辨率

分辨率是反映光學系統分辨物體細節的能力。當一個點的衍射圖中心與另一個點的衍射圖的第一暗環重合時，正好是這兩個點剛能分開的界限。

3.點列圖

由一點發出的許多光線經光學系統以后，由于象差，使其與象面的交點不現集中于同一點，而形成一個分布在一定范圍內的彌散圖形，稱之為點列圖。通常用集中30%以上的點或光線的圓形區域為其實際有效的彌散斑，它的直徑的倒數，為系統能分辨的條數。其一般用于評價大象差系統。

4.光學傳遞函數

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展開為傅里葉級數或傅里葉積分。把光學系統看作是線性不變系統，這樣，物體經光學系統成象，可視為不同頻率的一系列正弦分布線性系統的傳遞。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，它們之間的函數關系稱為光學傳遞函數。由于光學傳遞函數與象差有關，故可用來評價光學系統成象質量。它具有客觀、可靠的優點，并且便于計算和測量，它不僅能用于光學設計結果的評價，還能控制光學系統設計的過程、鏡頭檢驗、光學總體設計等各方面。
責任編輯：彭菁