光學(xué)設(shè)計(jì)軟件在像差理論教學(xué)中的應(yīng)用與探討

曾維友

摘要：像差理論是工程光學(xué)中重要但又較難的內(nèi)容，將光學(xué)設(shè)計(jì)軟件引進(jìn)教學(xué)，可以使一些較抽象的光學(xué)規(guī)律和現(xiàn)象變得直觀，通過Zemax軟件仿真可以清晰看到更量化的像差，加深學(xué)生對(duì)各種像差的理解和掌握，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：工程光學(xué)；像差理論；光學(xué)設(shè)計(jì)軟件

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）21-0221-02

一、引言

工程光學(xué)是光電信息工程專業(yè)的必修課，主要是從光線與幾何學(xué)的角度描述光的傳輸及其成像特征，該課程理論性偏強(qiáng)，教學(xué)過程中涉及到的內(nèi)容多，學(xué)生在面對(duì)這些枯燥的理論知識(shí)時(shí)容易產(chǎn)生倦怠而失去學(xué)習(xí)動(dòng)力，因此在講授過程中如何更形象地將物理現(xiàn)象展現(xiàn)給學(xué)生，從而吸引他們的注意力就是教學(xué)中應(yīng)該思索的地方。特別是像差理論，僅僅通過講解各種像差的理論公式來介紹各種像差的特性是很難讓學(xué)生真正理解的，而像差理論又是后續(xù)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。將光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax引進(jìn)教學(xué)，在像差理論講解過程中，通過Zemax軟件可以將像差量化地展現(xiàn)出來，加深學(xué)生對(duì)各種像差的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文將以球差為例講解Zemax在教學(xué)中的應(yīng)用。

二、教學(xué)實(shí)踐實(shí)例

球差是像差理論教學(xué)中的第一部分內(nèi)容，深刻理解球差，有助于其他像差的學(xué)習(xí)和理解。球差是指軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，不再是同心光束，不同出射角的光線交于不同的位置，相對(duì)于理想像點(diǎn)的位置有不同位置的偏離[1]。球差影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，因此認(rèn)識(shí)球差產(chǎn)生的原因，并校正球差是非常必要的。為了讓學(xué)生深刻理解球差產(chǎn)生的原因、特征和校正方法，以一單透鏡為例，研究球差在Zemax中的詳細(xì)表示。

在軟件中建立一個(gè)厚度為8mm，焦距為60mm，入瞳直徑為40mm的單透鏡，玻璃材料為BK7，波長和視場使用Zemax的默認(rèn)設(shè)置，焦平面位置通過在透鏡后表面的厚度上設(shè)置邊緣光線高度解的方式直接得到。在軟件中打開Layout，可以看到透鏡的二維結(jié)構(gòu)和光線追跡情況，如圖1所示，根據(jù)球差的定義，可以直觀解釋球差產(chǎn)生的原因，從圖中也可以看出，不同孔徑的球差不同，說明球差是孔徑的函數(shù)。

為了進(jìn)一步定量分析球差在不同孔徑的大小，可打開Longitudinal Aberration，即縱向像差，如圖2所示，該圖描述的是不同孔徑的出射光線與光軸的交點(diǎn)偏離理想像點(diǎn)的距離，實(shí)際上就是球差曲線。從圖中可以看出，單正透鏡的球差為負(fù)，并且與孔徑成非線性變化，說明透鏡存在高級(jí)球差，球差的具體大小也可以得出，如邊緣球差為-15.92mm。

光學(xué)系統(tǒng)的球差是由系統(tǒng)各個(gè)折射面產(chǎn)生的球差傳遞到系統(tǒng)的像空間后相加而得，因此系統(tǒng)的球差可以表示成系統(tǒng)每個(gè)面對(duì)球差的貢獻(xiàn)之和，Zemax提供的Seidel系數(shù)可以直接查看每個(gè)面對(duì)總球差的貢獻(xiàn)量，第一個(gè)面為0.070271，第二個(gè)面為2.822924，完全做到具體的量化，使學(xué)生對(duì)每個(gè)面的球差有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

單正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差，單負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差，因此將正負(fù)透鏡組合起來就可能校正球差，另外使用非球面也可以校正球差[2]。圖3是透鏡第一面使用偶次非球面校正后的球差曲線，校正后最大球差為3×10-5mm，雖然球差并沒有完全校正到零，但從圖4焦平面處的光斑圖可以看出，此時(shí)光斑已在Airy衍射圓內(nèi)，說明校正球差后系統(tǒng)的分辨力已達(dá)到了衍射極限。這也說明像差并不需要完全校正，只需要達(dá)到一定分辨要求就可以了。

在像差理論講解中，將理論與軟件仿真結(jié)合起來，可以直觀地介紹球差產(chǎn)生的原因，球差的特征，也可以通過軟件定量分析球差，討論球差的校正方法，使學(xué)生更容易理解與接受。

三、總結(jié)

將光學(xué)軟件引進(jìn)教學(xué)，在像差理論講解過程中，通過Zemax軟件可以清晰看到更量化的像差，改變傳統(tǒng)教學(xué)過程中注重復(fù)雜公式和定律的推導(dǎo)，有效提高學(xué)生對(duì)各種像差的理解和掌握。同時(shí)將理論知識(shí)與實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，有效改善教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]郁道銀，談恒英.工程光學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]劉鈞，高明.光學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.