《工程光學(xué)》課程中像差理論的教學(xué)探討

蘇倩倩

摘要：在像差理論講解的過程中，將軟件引進(jìn)教學(xué)，通過Zemax軟件仿真可以清晰地看到更量化的像差，將復(fù)雜的公式，定律變得更直觀，最后進(jìn)一步提出消除像差的方法，更有效加強學(xué)生對各種像差的理解和掌握。

關(guān)鍵詞：工程光學(xué);像差理論;球差;Zemax

中圖分類號：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）19-0074-02

一、引言

光電信息工程專業(yè)的光學(xué)類課程包括工程光學(xué)、光電子技術(shù)、信息光學(xué)、半導(dǎo)體器件、光纖傳感技術(shù)、光通信等。其中工程光學(xué)作為光學(xué)類課程的必修課其內(nèi)容包括兩部分，一部分是從光線與幾何學(xué)的角度描述光的傳輸及其成像特征的幾何光學(xué)，另一部分是從電磁波角度描述光的本性和其傳播規(guī)律的物理光學(xué)，該課程涉及的教學(xué)內(nèi)容多、理論性偏強，面對這些枯燥的理論物理知識，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易產(chǎn)生反感并失去學(xué)習(xí)的動力，因此我們的教學(xué)任務(wù)就是要將這些物理現(xiàn)象以一種更為形象的方式展現(xiàn)給學(xué)生。例如“像差理論”這一章節(jié)，僅僅通過講解課本上各種像差的理論公式來介紹各種像差的差別、產(chǎn)生的原因、消除方法是很難讓學(xué)生真正理解并吸收。而像差理論這部分知識又是作為后續(xù)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計實踐（對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行像差校正）前必須掌握的內(nèi)容。針對這一問題，首先我們可將光學(xué)軟件引進(jìn)教學(xué)，在像差理論講解的過程中，結(jié)合Zemax軟件輔助可以清楚的看到更量化的像差，更有效加強學(xué)生對各種像差的理解;在理解不同像差產(chǎn)生的原因之后，并結(jié)合實際生產(chǎn)情況，進(jìn)一步講解各種不同像差的校正方法，理論結(jié)合實際，讓學(xué)生認(rèn)識到，基礎(chǔ)知識不僅是概念理論和公式，更是實際應(yīng)用中的產(chǎn)品和解決實踐問題的手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。并結(jié)合實際生產(chǎn)情況，進(jìn)一步講解各種不同像差的校正方法，理論結(jié)合實際，讓學(xué)生認(rèn)識到，基礎(chǔ)知識不僅是概念理論和公式，更是實際應(yīng)用中的產(chǎn)品和解決實踐問題的手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文主要針對像差這一章節(jié)的知識點進(jìn)行講解，下面舉例講解。

我們以球差為例，利用軟件進(jìn)行講解。球差是指軸上發(fā)出的通信光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個球面折射后，就不再是同心光束，不同傾角的光線交與不同的位置上，相對理想像點的位置有不同的位置偏離，在像面上形成的是一彌散斑。球差對成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計有著重要的影響，因此認(rèn)識球差產(chǎn)生的原因，并消除球差是非常必要的。為了讓學(xué)生深刻理解球差產(chǎn)生的原因、大小、特征、校正方法，我們以一簡單透鏡為例，研究球差在ZEMAX軟件中的詳細(xì)表示。打開軟件，設(shè)置透鏡厚度10mm，焦距為75mm，F(xiàn)/#為1.5，玻璃材料為BK7，入曈大小為50mm.，設(shè)置Aperture Value值為50mm，在透鏡后表面的曲率半徑上設(shè)置F/#為1.5，在像面的厚度上設(shè)置邊緣光線高度解Marginal Ray Height，可直接得到焦平面位置。ZEMAX默認(rèn)設(shè)置時波長為550mm，視場角為0。這樣就完成一個簡單的單透鏡系統(tǒng)。打開Layout如圖1可直觀解釋球差產(chǎn)生的原因。

我們以不同光曈區(qū)域上的光線入射到像面上，在像面上與光軸的垂直高度大小作為衡量系統(tǒng)產(chǎn)生的球差大小。為了進(jìn)一步定量分析球差在不同孔徑的大小，可打開Ray Fan圖即球差曲線，球差曲線描述的是不同光曈位置處光線在像上高度與主光線高度差值。并且從Ray Fan圖可看出球差曲線的旋轉(zhuǎn)對稱性。同樣，打開Spot Diagram光斑圖也可定量看到球差大小及球差的旋轉(zhuǎn)對稱特點，如圖3球差大小RMS為5066.35um，通過與Airy衍射斑比較可以直觀地評定像質(zhì)。

若要更精確更量化知道球差的數(shù)據(jù)，可以使用ZEMAX提供的Seidel像差統(tǒng)計查看球差數(shù)據(jù)，Seidel系數(shù)表示各個面對總球差的貢獻(xiàn)量，完全做到具體的量化，使學(xué)生對每個面的球差有了更深刻的認(rèn)識。

對于球差的校正方法，在實際應(yīng)用中主要使用兩種方法：正負(fù)透鏡補償法和非球面校正球差。正透鏡提供正球差，負(fù)透鏡提供的是負(fù)球差，采用正、負(fù)透鏡組合可校正球差。另外，在不能增加透鏡的情況下，使用非球面來消除球差也是一種有效方法。以本文建立的單透鏡為例，將透鏡第二個面設(shè)置成非球面，優(yōu)化后，光斑變?yōu)榱?，球差完全消除了如圖4，可見使用非球面的方法效果顯著，但是非球面的加工成本較高。

理論與軟件仿真相結(jié)合，直觀的介紹了球差產(chǎn)生的原因，球差的特征，定量分析球差，并提出實際應(yīng)用中球差的校正方法。

二、總結(jié)

將光學(xué)軟件引進(jìn)教學(xué)，在像差理論講解的過程中，通過Zemax軟件可以清晰地看到更量化的像差，將復(fù)雜的公式，定律變得更直觀，更有效地加強學(xué)生對各種像差的理解和掌握。理論知識結(jié)合實際應(yīng)用的情況，提出各種像差的校正方法，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，為后續(xù)光學(xué)設(shè)計的應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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