3 皮肤的组织结构.ppt

像差设计在ZEMAX中的实现
光学系统的优化设计,最早用于评价像质的指标是几何像差。如果光学系统成像符合理想成像,即由同一物点发出的所有光线通过系统后,应该聚焦于理想像面上的同一像点,满足应用光学中的高斯成像公式,而且高度和理想像高一致。实际上光学系统成像不可能完全符合理想情况,即同一物点发出的光线,经系统后在像空间的出射光线,不再是聚焦于理想像的同心光束,而是具有较为复杂的几何结构的像散光束。用来描述像散光的函数是位置和结构的函数,称为几何像差。
据像质评价课程,我们已经具有光学系统的像差概念。如果在可见波段和旋转对称系统,轴上物点,主要存在:球差(δL’)、轴轴向色差(ΔLFC’),这两种像差仅是光束孔径h的函数,对于大相对孔径光学系统,还需要考虑球差和轴向色差的高级情况,即高级球差
δLsn’= δL’ -’和色球差δL’FC =ΔL’FCm-Δl’FC。对于轴外物点,因光束结构复杂,像差描述分子午、弧矢和主光线像差,有反映子午和弧矢光束像面相对于像平面的弯曲即子午场曲 XT’和弧矢场曲XS’;有反映子午、弧矢光束线对偏离主光线的不对称像差,即子午慧差KT’和弧矢慧差KS’;有反映子午面和弧矢面成像光束的不对称像差,即像散X’TS = XT’-XS’;当光学系统相对孔径较小时,子午和弧矢场曲可以用细光束场曲xt’和xs’代表,像散变成
x’ts =x’t- x’s ;主光线像差有畸变和垂轴色差。
以上这些像差,我们需要熟悉概念以及它们与孔径、视场的函数关系,分别弄清楚小视场小相对孔径、小视场大相对孔径、大视场小相对孔径、大视场大相对孔径光学系统的像差特征。
当光学系统的像质没有达到要求时,我们需要建立评价函数和确定变量、边界条件,对现有的初始结构进行优化设计;由前面的内容知道,建立评价函数的方法有多种,评价函数反映了设计者的设计思想。当用Default Merit Function建立评价函数,经过优化后,如像质还不尽人意,此时应该如何修改评价函数,往往还需归结到几何像差的分析和校正上来;同时,由过去的理论学习,像差理论是多年的光学设计实践和理论研究的结晶,使用像差(指独立几何像差)设计方法,能够快捷地获得设计结果或中间结果,为后续采用MTF优化提供基础;另外,有些设计场合,为简化结构,需要采用分阶段设计和像差补偿的设计方案,即让其中不同部分的光学系统留有残余像差,但符号相反,光学组合后,残余像差自动抵消,为了设计时能恰当地控制残余像差量,要采用像差设计方法;还有,有些设计情况下,像面
不一定要求为平面,也无法知道像面的面型具体方程,这时的设计也宜采用像差设计方法,配合像差容限考虑来完成。
因此有必要讨论像差设计的概念和方法,像差设计是在熟悉当前光学系统的特性的基础上,根据像差校正方案,确定轴上与轴外分别需要校正哪些像差,在评价函数编辑器中建立这些像差控制操作符,然后再进行优化设计。
Default Merit Function和现有像差控制符的局限性
,Default Merit Function定义的评价函数由点列图或波像差构成,用于优化象平面或具有固定面型的像面上的成像质量,不能完成任意独立几何像差的控制。
ZEMAX也提供了内建的像差控制操作符,下面就对这些操作符做比较分析,阐述现有像差控制操作符的局限性
轴上点的像差操作符的局限性
ZEMAX为轴上点提供了两个像差操作符,即SPHA,AXCL,其中SPHA是指定光学面的球差贡献量,单位:波长。无需指定孔径,因此,不能控制某一特征孔径的球差;AXCL是控制近轴位置色差Δl’FC。
以上两个像差操作符,仅适用于小视场小相对孔径的设计场合。根据轴上点像差概念的学习,我们知道,对于大相对孔径的光学系统,要控制其轴上物点的成像质量,至少要控制δL’m、ΔL’、δL’sn和δL’FC 到预定的目标值,但是利用ZEMAX内建控制操作符不能实现这种控制。
轴外物点的像差操作符的局限性
轴外物点的像差设计更为复杂,对于不同光学特性的系统,像差设计要求不一样。对小相对孔径小视场光学系统,像差设计最简单,最多要求校正孔径与视场的初级像差;对大相对孔径小视场光学系统,则将像差控制集中到跟孔径有关的高级像差上面来,至于视场像差,仍只控制视场初级像差;对小相对孔径大视场光学系统,则要将像差控制集中到跟视场有关的像差上面来,根据视场达到的程度,如中等视场,广角,超广角,决定是否校正跟视场有关的高级像差。
ZEMAX的内建像差控制操作符中,。
种类
名称
含义
局限性
慧差
COMA
某一面慧差贡献量,单位:波长
无