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《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》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、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 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(guò)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?！ ￡P(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(guò)程
2、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(guò)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(guò)講解各種像差的理論公式來(lái)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(guò)程中，通過(guò)Zemax軟件可以將像差量化地展現(xiàn)出來(lái)，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3 球差是像差理論
3、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(guò)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?！ ≡谲浖薪⒁粋€(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(zhǎng)和視場(chǎng)使用Zemax的默認(rèn)設(shè)置，焦平面位置通過(guò)在透鏡后表
4、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(kāi)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(shuō)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(kāi)LongitudinalAberration，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(shuō)明透鏡存在高級(jí)球差，球差的具體大小也可以得出
5、，如邊緣球差為-15.92mm。3 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(lái)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3×1
6、0-5mm，雖然球差并沒(méi)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(shuō)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(shuō)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(lái)，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(guò)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?！ ∪?、總結(jié) 將光學(xué)軟件引進(jìn)教學(xué)，在像差理論講解過(guò)程中，通過(guò)Zemax軟件可以清晰看到更量化的像差，改變傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)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)
7、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?！ ⒖嘉墨I(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(guó)防工業(yè)出版社，2012.3
