成像系統(tǒng)的普通模型

       光學(xué)系統(tǒng)的成像及其質(zhì)量評(píng)價(jià)是傳統(tǒng)光學(xué)研究的一個(gè)中心問(wèn)題。我們知道光學(xué)系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)展物體所成的像,則是對(duì)應(yīng)于構(gòu)成物體的所有點(diǎn)的衍射斑的疊加。對(duì)于相于成像系統(tǒng),像的復(fù)振幅分布是所有衍射斑的復(fù)振幅分布的線性疊加;對(duì)于非相于成像系統(tǒng),像的強(qiáng)度分布是衍射斑強(qiáng)度分布的線性疊加。

       大多數(shù)光學(xué)成像都不只限于用單個(gè)透鏡，而是由若干光學(xué)元件組成的復(fù)合系統(tǒng)。因此，在考察光學(xué)系統(tǒng)對(duì)成像的影響時(shí)，必須找到對(duì)光束起實(shí)際限制作用的那個(gè)孔徑，稱為孔徑光闌；孔徑光闌對(duì)通過(guò)它前面的系統(tǒng)所成的像，稱為系統(tǒng)的入射光瞳，它決定著進(jìn)入系統(tǒng)的光束的大小。孔徑光闌通過(guò)它后面的系統(tǒng)所成的像，稱為系統(tǒng)的出射光瞳，它決定著從系統(tǒng)出射光束的大小。并且，入射光瞳、孔徑光闌和出射光瞳三者相互共軛。

       光學(xué)系統(tǒng)的成像普遍地可以用圖一來(lái)表示。圖中顯示了成像的三個(gè)過(guò)程:(1)光波由物平面到入瞳平面:(2)由入瞳平面到出瞳平面;(3)由出瞳平面到像平面。這圖示實(shí)際上表明,只要知道成像系統(tǒng)的邊端性質(zhì)(成像系統(tǒng)的邊端由一個(gè)入瞳和一個(gè)出瞳組成),可以不必計(jì)及成像系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和工作情況,就能夠說(shuō)明系統(tǒng)的性質(zhì)。例如,對(duì)于無(wú)像差的理想成像系統(tǒng)(也稱為衍射受限成像系統(tǒng)),它所表現(xiàn)出的邊端性質(zhì)是,可以將投射到入瞳的發(fā)散球面波變換成出瞳上的會(huì)聚球面波。而對(duì)于有像差的成像系統(tǒng),表現(xiàn)出出上的波前將偏離理想球而波形,產(chǎn)生波像差。

      目前常用的雙高斯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成像鏡頭，雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬(wàn)場(chǎng)曲的光學(xué)結(jié)構(gòu)，半部系統(tǒng)是由一個(gè)彎月形的透鏡和一個(gè)薄透鏡組成，如圖二所示。

      由于雙高斯物鏡是一個(gè)對(duì)稱系統(tǒng)，所以很容易校正垂直像差。在設(shè)計(jì)這種類(lèi)型的系統(tǒng)時(shí)，我們只需要考慮球面像差、色差、場(chǎng)曲率和像散的校正。在雙高斯物鏡中，可以通過(guò)厚透鏡的結(jié)構(gòu)變化來(lái)校正場(chǎng)曲率，可以通過(guò)薄透鏡的彎曲來(lái)校正球面像差，可以通過(guò)改變兩個(gè)厚透鏡之間的距離來(lái)校正像散，并且可以通過(guò)將粘合表面插入厚透鏡來(lái)校正色差。雙高斯物鏡的半系統(tǒng)可以看作是厚透鏡的演變。修正了皮特斯旺場(chǎng)曲率的厚透鏡是月牙形的，兩個(gè)球體的半徑相等。在厚透鏡后面添加了由正透鏡和負(fù)透鏡組成的非焦點(diǎn)薄透鏡組，這對(duì)整個(gè)光焦度的分布和像差分布沒(méi)有明顯影響。然后靠近厚透鏡的負(fù)透鏡與厚透鏡分離并集成，從而形成兩個(gè)具有不同球面半徑的厚透鏡和一個(gè)具有正光焦度的薄透鏡的雙高斯物鏡半系統(tǒng)。

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