阿贝正弦条件如何影响光学设计

发表的维克多argueta

在进行一阶光学设计计算时,大多数工程师使用基于傍轴(或理想)系统的参数。也就是说,主要光线非常接近光轴的透镜。然而,情况并非总是如此,当我们远离近轴光学条件时,像差的存在对设计性能有更大的影响。

在19世纪后期,Ernst Abbe定义了物体高度和图像高度之间的关系,这使得新的具有更好图像质量的复杂系统得以发展。事实上,阿贝曾和蔡司一起开发过显微镜。我们现在把这种关系称为阿贝的必要条件,以承认他的贡献。


图1所示。阿贝正弦条件简图图片来自小亚历克斯。(2018).物理学报,36(7),487-494。

图1所示。阿贝正弦条件示意图。图片来自小亚历克斯。(2018).物理学报,36(7),487-494。


阿贝正弦条件可以用不同的数学公式表示,但这个公式非常直观:

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阿贝正弦条件表示为光学系统的放大倍数、物体的折射率、成像空间和边缘光线。阿贝正弦条件的基本光学意义是,对离轴点成像的要求是,所有光线的放大比应该是相同的,而不管它们在介质中传播的角度1。因此方程1右边的比值对于所有的射线都是一样的。因此,阿贝正弦条件创造了一个要求,图像的放大应该是相同的,无论射线击中透镜表面的哪里。


阿贝正弦条件有一个非常实际的应用:像差通常在光线以最大角度(即边缘光线)撞击透镜边缘时产生最坏的影响。ASC因此给光学工程师提供了一个简单而定量的目标:优化透镜组合,使边缘光线的比值n1sinQ1=n2sinQ2尽可能接近放大倍数h2/h1。此外,ASC给出了一种量化系统像差阶数的方法。对于任意一条射线(不只是边际射线)我们可以把右边的角2写成1的函数,反之亦然,然后把其中一个角的幂级数表示为n1sinQ1=n2sinQ2。零阶项应该等于放大倍数,而高阶项的系数的目标是要么把它们设为零,要么使它们最小化。在奇函数比率(正弦)中消除一个因子意味着消除了三阶彗差。


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