光學系統(tǒng)方案設計

概述

光學儀器設計和單純光學設計有很大的不同，單靠幾何光學和物理光學不能完全解決它所遇到的問題。它的本質是充分利用光源、光學媒質、光能接收器和幾何光學、物理光學的可能性來滿足特定的使用要求。在現(xiàn)在的設計工作中最活躍可變的部分常是光學系統(tǒng)部分，即光學設計部分，這是由于其他部分一般是作為固定元件來使用的緣故。但這也不是絕對的，其他部分，尤其是接收顯示部分，也應該根據使用要求而發(fā)展，這幾年就有較大的發(fā)展。 光學儀器的各部分是相互聯(lián)系的，它們的共同性是：它們都是光學信息的傳遞環(huán)節(jié)。儀器的優(yōu)劣在于它能傳遞的信息量的大小，以及信號是否因傳遞而變形。

圖1.1

光學儀器一般所涉及的復雜的信號傳遞過程可用圖1.1表示，它以方塊圖形式大致表示出信號所經歷的變換。由于傳遞過程的不完善以及在各階段引入噪音而使信號變形。這里的物體可以是顯微鏡下被觀察的細菌，可以是被光譜儀分析的礦物樣品，也可以是被天文望遠鏡觀察的星云、人造衛(wèi)星。光學系統(tǒng)一般是問題的主體，其結構和運行是按照預定的觀察目的而決定的，它應該能將所需的光信號經過可能的分析整理而輸入接收器。這個接收器可以是人的眼睛，它將光信號變?yōu)樯窠浢}沖而傳給大腦進行分析；也可以是種種光電、熱電元件或光化學元件（照相底片之類），至于將電信號或其它信號放大顯示的問題已不是光學問題。但是顯示的結果多半還是供人眼觀察的。值得強調的是：光學技術的進一步進展不能脫離這個最后一步，也就是光電光度和放大顯示技術。

欲了解一定的成象機構能否達到預定的目的，必須先對這種過程作出充分完滿的描寫，并將其質量指標作為相互比較的依據。

看來，成象轉換過程可分為三個方面來描述。首先是它的能量方面，也就是物體、光學系統(tǒng)和接收器的光度性質；其二是它的成象特性方面，也就是它能分辨的光信號在空間和時間方面的細致程度；其三是噪音方面，它決定接收到的信號不穩(wěn)定的程度或可靠性。后兩方面可概括為信息傳遞問題，它們決定能被傳遞的信息量大小。按照信息論的一般理論可知，前者由取樣原理而決定獨立的點數，后者和第一方面（信號強度）一起決定了每個獨立點所包含的信息量。 各種產生和傳遞光信號的元件對各個方面的影響很不相同。如何使各元件在各方面的性能相配合。

如何選擇適當的元件、條件和機構使預定要求在最大限度內實現(xiàn)，這是光學系統(tǒng)整體設計問題，也就是光學系統(tǒng)的方案設計問題。這個問題將在高斯光學范圍內和象差校正、象質評價范圍內加以討論。 將光學儀器中除光學系統(tǒng)以外的部分都看作是固定性能的元件時，光學儀器的設計就歸結為光學系統(tǒng)設計。此時，如何將使用要求翻譯為光學要求，將光學要求劃分清范疇，分類解決，是非常重要的。例如區(qū)分問題的范疇是屬于光學的還是其他物理問題；屬光源和接收器的問題，還是光能傳播問題；是幾何光學問題還是物理光學問題；是高斯光學問題還是象差問題等等。所以需要如此，是由于光學儀器中通常涉及的問題往往是多方面的、復雜地交纏在一起的，不加分類處理常會無從著手。 在本章中我們僅僅考慮光學儀器的光學整體問題，即光學系統(tǒng)的方案問題。當然，光學儀器不單純是個光學整體問題，它還有機械結構、自動化等等須作全局考慮的問題，對這些問題我們不去討論。

光度性質 光度性質亦即能量傳遞特性，是最早被人們認識的方面，并且由此而建立了光學的一個分支：光度學。與光學儀器的另外兩個方面成象特性和噪音特性相比，這個方面是比較成熟的。

區(qū)別于其它能量傳遞，光能量傳遞受幾何光學定律的約束。也就是說，在幾何光學近似正確可用的范圍內，光能傳遞過程可由幾何光學完全決定。由于幾何光學不能決定能量的細致分布，光度學不考慮能量的細致分布所產生的影響。也就是說，在空間方面所考慮的是足夠大的發(fā)光面積引起的種種后果，在時間方面所考慮的是穩(wěn)定不變的光功率產生的影響。也正因為如此，一般情況下可采用高斯光學來考慮問題，從而使結果大大簡化。

幾何光學的主要約束是：光管變更遵守Lagrange不變量的要求，再由能量不滅定律就使亮度（單位面積單位立體角內的光功率）和折射率平方之比是不變量。當考慮到光能被介質吸收、反射或散射，亮度將序之減弱。亮度實際值和理想值之比稱為透過率。 光度學中的其他量均可看作是為表達方便而由光功率或亮度衍生出來的。例如稱單位面積接受的光功率為照度，它顯然是由照明光束的亮度和光束總立體角決定。由于不存在那種對無限小功率都能反應的接收器，再由于接收器和顯示器只能分辨有一定對比的信號（二信號功率差需大于某一限值），因此光度學方面的考慮就成為最基本的、重要的考慮之一。

很明顯，光度考慮的基本目的在于：加強信號減弱背景。信號總是有別于背景之后才能被辯別；背景一定不是絕對黑暗的，由于散射和本身輻射，背景總是具有一定亮度。當信號和背景亮度之差小于接收器和顯示器的閾值時，信號不能被覺察。提高信號強度可能的途徑是：改進照明方法，提高介質和光學系統(tǒng)的透過率；增大通光孔徑使照度增大等。 背景亮度的起因一般是大量的小因素累積的結果，主要來源于介質散射和透鏡、棱鏡邊緣的漫反射，在長波區(qū)域可源于熱輻射或介質的其他非平衡輻射。減弱它的主要途徑是選擇觀察條件和改善工藝過程。

編輯：黃飛