光学系统方案设计

概述

光学仪器设计和单纯光学设计有很大的不同，单靠几何光学和物理光学不能完全解决它所遇到的问题。它的本质是充分利用光源、光学媒质、光能接收器和几何光学、物理光学的可能性来满足特定的使用要求。在现在的设计工作中最活跃可变的部分常是光学系统部分，即光学设计部分，这是由于其他部分一般是作为固定元件来使用的缘故。但这也不是绝对的，其他部分，尤其是接收显示部分，也应该根据使用要求而发展，这几年就有较大的发展。 光学仪器的各部分是相互联系的，它们的共同性是：它们都是光学信息的传递环节。仪器的优劣在于它能传递的信息量的大小，以及信号是否因传递而变形。

图1.1

光学仪器一般所涉及的复杂的信号传递过程可用图1.1表示，它以方块图形式大致表示出信号所经历的变换。由于传递过程的不完善以及在各阶段引入噪音而使信号变形。这里的物体可以是显微镜下被观察的细菌，可以是被光谱仪分析的矿物样品，也可以是被天文望远镜观察的星云、人造卫星。光学系统一般是问题的主体，其结构和运行是按照预定的观察目的而决定的，它应该能将所需的光信号经过可能的分析整理而输入接收器。这个接收器可以是人的眼睛，它将光信号变为神经脉冲而传给大脑进行分析；也可以是种种光电、热电元件或光化学元件（照相底片之类），至于将电信号或其它信号放大显示的问题已不是光学问题。但是显示的结果多半还是供人眼观察的。值得强调的是：光学技术的进一步进展不能脱离这个最后一步，也就是光电光度和放大显示技术。

欲了解一定的成象机构能否达到预定的目的，必须先对这种过程作出充分完满的描写，并将其质量指标作为相互比较的依据。

看来，成象转换过程可分为三个方面来描述。首先是它的能量方面，也就是物体、光学系统和接收器的光度性质；其二是它的成象特性方面，也就是它能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度；其三是噪音方面，它决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性。后两方面可概括为信息传递问题，它们决定能被传递的信息量大小。按照信息论的一般理论可知，前者由取样原理而决定独立的点数，后者和第一方面（信号强度）一起决定了每个独立点所包含的信息量。 各种产生和传递光信号的元件对各个方面的影响很不相同。如何使各元件在各方面的性能相配合。

如何选择适当的元件、条件和机构使预定要求在最大限度内实现，这是光学系统整体设计问题，也就是光学系统的方案设计问题。这个问题将在高斯光学范围内和象差校正、象质评价范围内加以讨论。 将光学仪器中除光学系统以外的部分都看作是固定性能的元件时，光学仪器的设计就归结为光学系统设计。此时，如何将使用要求翻译为光学要求，将光学要求划分清范畴，分类解决，是非常重要的。例如区分问题的范畴是属于光学的还是其他物理问题；属光源和接收器的问题，还是光能传播问题；是几何光学问题还是物理光学问题；是高斯光学问题还是象差问题等等。所以需要如此，是由于光学仪器中通常涉及的问题往往是多方面的、复杂地交缠在一起的，不加分类处理常会无从着手。 在本章中我们仅仅考虑光学仪器的光学整体问题，即光学系统的方案问题。当然，光学仪器不单纯是个光学整体问题，它还有机械结构、自动化等等须作全局考虑的问题，对这些问题我们不去讨论。

光度性质 光度性质亦即能量传递特性，是最早被人们认识的方面，并且由此而建立了光学的一个分支：光度学。与光学仪器的另外两个方面成象特性和噪音特性相比，这个方面是比较成熟的。

区别于其它能量传递，光能量传递受几何光学定律的约束。也就是说，在几何光学近似正确可用的范围内，光能传递过程可由几何光学完全决定。由于几何光学不能决定能量的细致分布，光度学不考虑能量的细致分布所产生的影响。也就是说，在空间方面所考虑的是足够大的发光面积引起的种种后果，在时间方面所考虑的是稳定不变的光功率产生的影响。也正因为如此，一般情况下可采用高斯光学来考虑问题，从而使结果大大简化。

几何光学的主要约束是：光管变更遵守Lagrange不变量的要求，再由能量不灭定律就使亮度（单位面积单位立体角内的光功率）和折射率平方之比是不变量。当考虑到光能被介质吸收、反射或散射，亮度将序之减弱。亮度实际值和理想值之比称为透过率。 光度学中的其他量均可看作是为表达方便而由光功率或亮度衍生出来的。例如称单位面积接受的光功率为照度，它显然是由照明光束的亮度和光束总立体角决定。由于不存在那种对无限小功率都能反应的接收器，再由于接收器和显示器只能分辨有一定对比的信号（二信号功率差需大于某一限值），因此光度学方面的考虑就成为最基本的、重要的考虑之一。

很明显，光度考虑的基本目的在于：加强信号减弱背景。信号总是有别于背景之后才能被辩别；背景一定不是绝对黑暗的，由于散射和本身辐射，背景总是具有一定亮度。当信号和背景亮度之差小于接收器和显示器的阈值时，信号不能被觉察。提高信号强度可能的途径是：改进照明方法，提高介质和光学系统的透过率；增大通光孔径使照度增大等。 背景亮度的起因一般是大量的小因素累积的结果，主要来源于介质散射和透镜、棱镜边缘的漫反射，在长波区域可源于热辐射或介质的其他非平衡辐射。减弱它的主要途径是选择观察条件和改善工艺过程。

编辑：黄飞