利用高級(jí)球差曲線分析光學(xué)系統(tǒng)

我們?cè)谠O(shè)計(jì)成像系統(tǒng)時(shí)，最重要的理論依據(jù)就是像差理論。雖然現(xiàn)在計(jì)算機(jī)使光線追跡變得異常輕松，各種光學(xué)設(shè)計(jì)軟件也不斷嘗試實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化，但是目前為止，我們?cè)谠O(shè)計(jì)鏡頭時(shí)，還是必須以像差理論為指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)決定像差，像差限制性能，因此我們需要在選擇初始結(jié)構(gòu)時(shí)就要評(píng)估它的限制在哪里，從而尋找到一個(gè)好的初始結(jié)構(gòu)；在設(shè)計(jì)過程中，只有了解像差的存在狀況后，才能對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的修改，并根據(jù)效果確定修改是否合適，這樣不斷的去調(diào)整最終。這個(gè)工作就是我們?cè)诠鈱W(xué)設(shè)計(jì)中的任務(wù)。

對(duì)于未校正系統(tǒng)，初級(jí)像差往往很大，這時(shí)候初級(jí)像差系數(shù)就非常有用。以前的設(shè)計(jì)師用初級(jí)像差來確定初始結(jié)構(gòu)，得益于時(shí)代進(jìn)步，我們現(xiàn)在一般可以跳過這個(gè)步驟，直接選擇現(xiàn)存的初始結(jié)構(gòu)，這樣我們的精力就可以放在像差的校正上。幾乎所有的成像設(shè)計(jì)軟件都可以把初級(jí)像差作為操作數(shù)加入到優(yōu)化函數(shù)中，結(jié)合光線追跡，我們可以迅速進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。

但是，不幸的是，目前這些軟件的自動(dòng)優(yōu)化功能還沒有先進(jìn)到讓我們?cè)诤炔枇奶斓臅r(shí)候就完成設(shè)計(jì)，所以仍然需要我們?nèi)グl(fā)揮自己的聰明才智。我們必須不停的問自己，優(yōu)化為什么停止了，到底是什么限制了進(jìn)一步優(yōu)化，我該怎么去修改結(jié)構(gòu)參數(shù)和優(yōu)化函數(shù)。在跟這些問題日積月累的斗爭(zhēng)中，我們才不斷刷高自己的經(jīng)驗(yàn)值。一般來講，當(dāng)你的優(yōu)化難以繼續(xù)的時(shí)候，主要是因?yàn)槭窍到y(tǒng)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)走到了盡頭，當(dāng)然也可能是優(yōu)化函數(shù)不合理需要修改。我們主要討論前者，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了高級(jí)像差，而高級(jí)像差一般很懶，不怎么變動(dòng)，我們知道光學(xué)設(shè)計(jì)的主要原理就是像差平衡：低級(jí)像差和高級(jí)像差之間的平衡、不同像差之間的平衡。所以殘留像差很大且難以降低，很可能就是高級(jí)像差太大無法平衡所致。現(xiàn)在這些軟件一般不提供高級(jí)像差分析，所以我們很頭疼啊，高級(jí)像差它到底是什么樣子啊，是由哪部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的啊。這個(gè)問題，我們迫切需要知道。 我們不如來看看那些光學(xué)系統(tǒng)的高級(jí)像差到底是什么樣子的，這里以球差為例，嘗試分析幾種光學(xué)系統(tǒng)的高級(jí)球差分布。

案例1：Cooke與Tessar高級(jí)球差對(duì)比分析

案例2：兩個(gè)20X顯微物鏡的高級(jí)球差對(duì)比分析

案例3：兩種不同結(jié)構(gòu)雙高斯物鏡的高級(jí)球差對(duì)比

案例4：大孔徑物鏡的高級(jí)球差特征當(dāng)物鏡的F數(shù)變小時(shí)，高級(jí)像差迅速增長(zhǎng)，從而限制了F數(shù)的減小。下面以兩個(gè)系統(tǒng)的對(duì)比來說明

總結(jié)：在選擇初始結(jié)構(gòu)和深入校正像差時(shí)，我們都需要精確地知道像差的實(shí)際分布情況和像差校正的極限以作為參考。一般來說，像差校正受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或者說是高級(jí)像差的限制，對(duì)于結(jié)構(gòu)的限制我們往往無法快速直接準(zhǔn)確地看出來，因此計(jì)算出高級(jí)像差就成為了最佳選擇。作為最基本的像差，高級(jí)球差曲線的繪制，是十分必要的。而把高級(jí)球差作為操作數(shù)加入到優(yōu)化函數(shù)中，對(duì)鏡頭設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量會(huì)有很大的提升。