校友大谈光学设计

国内很大一部分从事光学设计工作的同志都是光机学院的老师或学生，所以我觉得本版很有必要开展校友光学设计的讨论，希望有关人士来此谈谈光学设计的经验。以表对母校的心意！

光学变焦与数字变焦的区别
　
光学变焦是通过改变CCD与透镜的焦点距离来放大图像的。

数字变焦采用了与光学变焦截然不同的结构。数字变焦有多种方式，其中最普通的是提取CCD拍摄到图像的局部，并通过数字处理来扩大图像的方式。但是，在这种方式下，进行修饰处理时总会出现图像画质恶化的现象。因此，在配备光学、数字两种变焦的相机中，只有在把图像放大到光学变焦无法完成的范围时，才会使用数字变焦。

目前，各相机制造商正在开发减少图像恶化的技术，并配备在自己的产品中。另外，图像放大后，用户在个人电脑上处理时就会即费功夫又耗时间。由于数字变焦在拍摄时能够自动进行上述处理，因此相当方便。

另外，在数字变焦中，也有象富士胶卷“FinePix”系列那样的虽然分割图像但不进行放大的类型

狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。

   

光学的发展简史

　

   光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。

   人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。约在公元前400多年(先秦的代)，中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。

   自《墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。

   1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。

   牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。

   牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。

   惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。提出“光同声一样，是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点，都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。

   19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。

   在进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波。为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。如此性质的以太是难以想象的。

   1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。

   1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。

   然而，这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质，也不能解释光的色散现象。到了1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。

   对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话，则可将不动的以太选作参照系，使人们能区别出绝对运动。而事实上，1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明到了洛伦兹电子论时期，人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。

   1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。

    量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

   1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。

    1905年9月，德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理，文中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情况，而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征，根本放弃了以太的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。

    这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。

    1922年发现的康普顿效应，1928年发现的喇曼效应，以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。

    此后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。其中最重要的成就，就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射，并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。

   爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。1960年，梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年发现以来，得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。

   光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论，和1906年波特为之完成的实验验证；1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖；1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理，为此，伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。

   自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域——光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。

   在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。

　

光学的研究内容

　

  我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

　

  几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

　

  物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

    波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

　

  量子光学 1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

   1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。

   这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。

   光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。

　

  应用光学 光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。

支持！

非常好，支持

谢谢，给了我一丝安慰

光学上设计的任务就是根据对透镜组的两个方面的要求确定透镜组的结构参数，其中最困难的是如何保证它的成像质量。为了保证光学系统的成像质量，首先要找出在设计过程中用来评价系统成像质量的方法和指标。
现有的光学自动设计程序中，主要使用几何像差和波像差这两种像质评价方法。
为了评价一个已知光学系统的成像质量，必须确定用哪些参数来描述系统的结构和要求的光学特性。实际光学系统中绝大多数为球面，在计算机程序中为了简便、直观，对球面只给出曲率半径一个参数，系统的焦距和主面位置就确定了。

※光学特性参数：
1、物距L；
2、物高Y或视场角W；
实际的光学系统不可能使整个物平面成像清晰，只能光轴周围的一定范围成像清晰。因此评价系统成像质量时，只能在要求的范围内进行。表示成像范围的方法有两种：当物平面位于有限距离时，成像范围用物高Y表示；当物平面位于无限远距离时，成像范围用视场角W表示。
3、物方孔径角正弦（sinU）或者光束孔径高（H）；
4、孔径光阑或者入瞳位置；
5、渐晕系数或系统中每个面的通光孔径；
实际光学系统中视场边缘的像面照度一般允许比轴上点适当降低。为了保证轴外点的成像质量，把轴外子午光束的宽度适当减少。另一方面，为了减少某些光学零件的直径，也把轴外子午光束的宽度适当减少，这种现象称为“渐晕”。表示系统渐晕状况有两种方式，一种是渐晕系数法；另一种是给出系统中每个通光面的实际通光孔径。
一般我们把有渐晕的成像光束截面近似用一个椭圆代表。用这样的椭圆近似代表轴外点的实际通光面积进行系统的像质评价。

[这个贴子最后由zhouxiaojun在 2003/08/27 06:24pm 第 2 次编辑]

你忙写得都很好，也有心得；可是我毕业后未做个一个设计，现在也忘了；如成我也可以加入你忙的行列，和你忙一起讨论。

很好啊！欢迎

※初级像差：
在物高Y或视场角W不大的情况下只考虑初级像差，在一个透镜组中，第j面产生的像差不仅和它本身的结构参数如：曲率；折射率以及物体的位置有关，同时和入射光束的像差有关，因为入射光束的像差不同，光线在第j面上对应的入射位置改变，它所产生的像差也将因此发生变化。所以，实际是系统中各个球面对于像差的影响不是彼此独立的。但是，在初级像差范围内，我们可以认为每一表面产生的像差和入射光束的像差无关。因此，在初级像差范围内系统中每个球面产生的像差可以认为是彼此独立的。以上即所谓初级像差的独立性原理。初级像差的独立性原理是研究初级像差的基本出发点之一，也是初级像差理论较为简单的原因所在。
※各种像差的定性了解：
在设计光学系统时，在单色像差中必须首先较正球差。在视场不大的情形，球差和彗差随视场变化的规律，以及弧矢和子午彗差的关系基本上和初级像差符合，因此，对小视场的光学系统来说，只要计算了球差，并根据球差的计算结果求出正弦差，这样系统整个像面上各点的像差也就基本上知道了。在设计小视场光学系统时，单色像差只须要计算球差和正弦差就够了。主光线的像差就是畸变，对视场较小的系统，畸变可忽略。散和场曲代表了细光束的成像质量，因此在小孔径大视场光学系统中，像散和场曲就成了最主要的像差。

继续呀！怎么没有了呀？