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常用光学术语有哪些?

供稿:中国工控网 2016/9/30 13:44:22

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  常用光学术语:

    aperture stop( 孔径阑)-限制进入光学系统之光束大小所使用的光阑。

  astigmatism( 像散) -一个离轴点光源所发出之光线过透镜系统后,子午焦点与弧矢焦点不在同一个位置上。

  marginal ray( 边缘光束) -由轴上物点发出且通过入射瞳孔边缘的光线。

  chief ray( 主光束) -由离轴物点斜向入射至系统且通过孔径阑中心的光线。

  chromatic aberration(色像差)-不同波长的光在相同介质中有不的折射率, 所以轴上焦点位置不同,因而造成色像差。

  coma( 慧差) -当一离轴光束斜向入射至透镜系统,经过孔径边缘所成之像高与经过孔径中心所成之像高不同而形成的像差。

  distortion( 畸变)-像在离轴及轴上的放大率不同而造成,分为筒状畸变及枕状畸变两种形式。

  entrance pupil( 入射瞳孔) -由轴上物点发出的光线。经过孔径阑前的组件而形成的孔径阑之像,亦即由轴上物点的位置去看孔径阑所成的像。

  exit pupil( 出射瞳孔)-由轴上像点发出的光线,经过孔径阑后面的组件而形成的孔径阑之像,亦即由像平面轴上的位置看孔径阑所成的的像。

  field curvature( 场曲) -所有在物平面上的点经过光学系统后会在像空间形成像点,这些像点所形成的像面若为曲面, 则此系统有场曲。

  field of view( 视场、视角)-物空间中,在某一距离光学系统所能接受的最大物体尺寸,此量值以角度为单位。

  f-number( 焦数) -有效焦距除以入射瞳孔直径的比值,其定义式如下: 有时候f-number也称为透镜的速度, 4 f 的速度是2 f 速度的两倍。

  meridional plane( 子午平面) -在一个轴对称系统中,包含主光线与光轴的平面。

  numerical aperture( 数值孔径) -折射率乘以孔径边缘至物面(像面) 中心的半夹角之正弦值,其值为两倍的焦数之倒数。数ˋ 值孔径有物面数值孔径与像面数值孔径两种。

  sagittal plan( 弧矢平面、纬平面) -包含主光线,且与子午平面正交的平面。

  sagittal ray( 弧矢光束、纬光束) -所有由物点出发而且在弧矢平面上的斜光线。

  ray-intercept curve(光线交切曲线)-子午光线截在像平面上的高度相对于经过透镜系统后发出之光线的斜率之关系图;或是定义为经过透镜系统后的光线位移相对于孔径坐标的图。此两种定义法可依使用者需要选择,在OSLO 中采用后者。

  spherical aberration(球面像差)-近轴光束与离轴光束在轴上的焦点位置不同而产生。

  vignetting( 渐晕、光晕)-离轴越远(越接近最大视场)的光线经过光学系统的有效孔径阑越小,所以越离轴的光线在离轴的像面上的光强度就越弱,而形成影像由中心轴向离轴晕开。

  孔径光阑: 限制进入光学系统的光束大小所使用的光阑。

  球差:近轴光束与离轴光束在轴上的焦点位置不同而产生的像差。

  像散:一个离轴点光源所发出光线经过系统后,子午焦点与弧矢焦点不在同一位置上。

  边缘光束:由轴上物点发出且通过入瞳边缘的光线。

  主光束:由离轴物点斜向入射至系统且通过孔径光阑中心的光线。

  色像差:不同波长的光在相同介质中有不同的折射离,所以轴上焦点位置不同,因而造成色像差。

  角放大率:近轴像空间主光线角与近轴物空间主光线角的比率叫做角放大率,角的测量与近轴入瞳和出瞳的位置有关。

  切迹法:

  切迹法指的是系统入瞳的连续均匀的光线。选择默认,瞳处的光线总是连续均匀的。然而有时也会有非连续均匀的光线。在这种情况下,ZEMAX支持光瞳切迹法,也就是改变光瞳处的光波振幅。有三种类型的切迹:均匀型,高斯型,矩阵型。对每一种类型(除连续均匀以外)切迹因素取决于光瞳处振幅的变化率。

  后焦长度:

  ZEMAX定义的后焦长度是沿着Z轴的方向,最后一个玻璃面到像面的距离。如果没有玻璃面,后焦的长度是Surface1到近轴像面的距离。

  主像面:主像面(有时又叫主点)指的是物和像空间共轭位置有特定的放大率。主像面包括放大率为+1的平面,角放大率为+1的节平面,放大率为-1反节面,和放大率为0的像方焦平面和物方焦平面。除了焦平面之外,其他主像面之间也相互构成共轭面。也就是说像空间的主像面与物空间的主像面是共轭面,等等。如果透镜的物空间和像空间有相同的折射率,那么节面与主像面重合。

  主光线:

  如果没有护真光阑和像差,则把从一特定场点穿过入瞳中央,到达像面的光线称作主光线。注意到没有护真光阑和像差,则任何穿过入瞳中央的光线将穿过光阑和出瞳。

  当考虑到护真光阑,则主光线的定义为只穿过光阑中央,不一定穿过光阑中央的光线。如果有光瞳像差(这是客观存在的)那么主光线可以穿过近轴入光瞳(如果不用准直)或光阑中央(用准直)但一般说来,不会二者同时存在。

  ZEMAX从不用主光线来计算,主要的计算是参考主要的或中央光线。注意质心参数优于主光线。因为他在像面上受到的干扰小。

  坐标轴(系):

  光学轴是Z轴,光线开始传播的方向是Z轴的正方向。在传播方向上加一块平面镜会使传播反向,坐标系尊从右手定则,传播方向是从左向右,沿着Z轴正方向。经过奇数平面镜之后,光线指向Z轴负方向。因此,经过奇数平面镜之后,所有的厚度是负的。

  衍射极限:衍射极限指的是:一个光学系统的性能受到衍射的物理机制的限制,而不是设计或者制作的不完整性。普遍的约定是系统的衍射极限是根据光程差来计算或度亮的。如果波峰到波谷的OPD(光程差)小于波长的四分之一,那么就说系统处于衍射极限。

  这里还有许多方式决定系统的衍射极限。例如:施特雷尔比(在同一系统里形成的有象差点像的衍射图峰值与无象差的峰值亮度之比。用于像质的评价)。RMS OPD;标准背离,最大斜差。对一个系统来说,用这种方法是衍射极限而另一种不是衍射极限,这是可能的。

  关于一些ZEMAX的图,例如,MTF或Diffraction Encircled energy(衍射能量圈图)等衍射极限的光学表示。衍射极限的响应是显而易见的。这些数据通常根据视场域的某一参考点的追踪光线计算出来的。光瞳迹变;护真光阑;F/#;表面孔径等等都和传输有关。但不管实际的光路怎样,光程差都定为0。对于系统来说,如果场角在(0,0)点处,则参考点的位置在坐标轴场点。如果不定义(0,0)点,那么场点通常有(1,1)代替。

  边缘厚度:边缘厚度的求解可以改变中心厚度,也就是边缘厚度的求解可改变接下来的一个表面的入射光线,意思是下一表面的半径会改变。如果下一表面的半径用边缘厚度来计算,就会出现“infinite loop”或者“circular definition”。因为这个原因,边缘厚度求解计算的边缘厚度严格的针对第一和第四表面。尽管第二表面的曲率和形状被用到,但从来未涉及到它的半径。

  有效焦距:

  后主像面到近轴像面的距离。他的计算是不断变化的,主像面的计算总是根据近轴光线数据。既使像空间的折射率不是1,有效焦距也总是以1.0的折光线为参考。

  入光瞳直经:

  入光瞳直径等于物空间中用透镜单位表示的近轴像光阐的大小。

  入光瞳位置:近轴入光瞳的位置与系统的第一表面相联系。第一表面不是物面surface 0而是surface1。

  出光瞳直径:

  出光瞳直径等于近轴像空间用透镜单位表示的近轴像光阐的大小。

  近轴出光瞳的位置相联系于像表面

  场角和高度:

  场点可被定义为角;物高(对系统来说是有限别性的共轭面)近轴像高和真实像高。

  场角通常是用度数表示的。度数是根据物空间的近轴入瞳的位置来度量的。

  浮动光阐大小:

  ZEMAX支持系统的浮动光阐的定义。指的是入瞳位置;物空间的数值孔径;像空间的F/#及表面光阐的曲率半径。因此,设半径,相应的其他表面的值也随之而定,这种是定义孔径的最有效的方法,尤其在设置虚拟的光学校正面时很方便。

  玻璃:玻璃的输入是根据LDE的“Glass”列。空缺代表空气折射率为1,还可以通过输入“MIRROR”来定义平面镜通过“glass catalog tool”得到所有的玻璃目录。

  Hexapolar rings:ZEMAX通常选择一定光线模式来作为通用的计算,例如点图,光线模式指的是进入初瞳的一系列模式。“The hexapolar”模式是旋转轴对称,用环绕中央光线的环数来表示。第一个环包括6束光线,第二个环12束第三个环18束,如此类推。

  像空间工作数F/#:

  像空间工作数F/#是近轴有效焦距比上近轴入瞳的直径。

  像空间数值孔径(NA):像空间数值孔径用主波长来计算。

  透镜单位:

  透镜单位主要用来度量,透镜系统,包括毫米、厘米、英寸、米。

  边缘光线:边缘光线指的是从物中心到入瞳边缘在像平面成像的光线。

  非近轴系统:非近轴系统指的是不能用近轴光线充分描述的系统。

  非连续描光:

  归一化场域和光瞳坐标:ZEMAX程序和文件中经常用到归一化场域和光瞳坐标。四个归一化坐标:Hx,Hy,Px,and Py。Hx和Hy值是归一化场域坐标,Px Py是归一化光瞳坐标。

  归一化场域和光瞳坐标用一个单位圆来表征。视场半径的大小(或者物高)是归一化场域坐标的范围,入瞳的半经,用来限制归一化光瞳坐标。例如,假如最大物高是10mm,如果定义了3个场域,分别在:0、7、10mm。坐标(Hx=0,Hy=1)指的是物空间

  光线的开始位置是(x=0mm,y=10mm);坐标(Hx=-1,Hy=0)指物体(x=10mm,y=0mm)光瞳的坐标也是同样的方式表式。假如入瞳的半径(不是直径)是8mm,那么(Px=0,Py=1)指的是入瞳顶端边缘的光线。则在入瞳表面光线的坐标是(x=0,y=8)。

  注意:归一化坐标总是位于-1到+1之间。采用归一化坐标的优点是,某一条光线总是有同样的坐标。例如,边缘光线的坐标总是(Hx=0,Hy=0,Px=0,Py=1),主光线的坐标总是(Hx=0,Hy=1, Px=0,Py=1)。系统应用归一化坐标的另一个优点是:当光瞳的大小和位置变化时仍然有意义。假如要优化一个透镜设计,您定义了计算系统绩效函数的光线,通过应用归一化坐标,当光瞳的大小和位置或物的大小和位置改变了;或者正在优化之中,同样的光线仍然适用。

  归一化视场坐标的角位置用度数定义。例如:假定您选择y-field的角度是0;7;10度,就表示您的最大场角是10度。则归一化场角的坐标(Hx=0,Hy=1)表示x-field 是0度,y-field是10度。归一化场角的坐标(Hx=-0.5,Hy=0.4)表示x-field是-5度,y-field是4度。注意到:如果没有x-field,您可以用一个非0的Hx来描光。Hx和 Hy的值总是指被物方最大角空间限定的圆形区域。如果您限定x-field是10度;y-field是 6度,则最大圆形区域是11.66度,接着Hx和 Hy将受到这个半径的归一化。

  注意:如果用角定义,那么坐标就是归一化视场坐标;如果用物高定义,那么坐标就是归一化物高坐标。

  物空间数值孔径:

  物空间数值孔径是度量从物方进入光线的散度。数值孔径被定义作近轴边缘光线角的折射指数。

  近轴和“parabasal光线”:近轴光线是指可以用斯涅尔定理来描述的光线。斯涅尔定理是:对于小角度可改写为:(公式可以参看手册)在光学中的大量定义是遵循这种线性关系。失常指的是偏离这种性质。因此,近轴光学系统经常忽略这种失常。即,认为它是线性的。

  尽管这个数字化的公式用来计算近轴模型很简便,例如:焦距;F/#;放大率,等等。但ZEMAX通常不用这些公式。而是用“parabasal光线”,通常是坐标或者主光线来计算。

  ZEMAX用“parabasal光线”的原因是很多系统包括非近轴成分。

  近轴像高:

  在近轴像平面上近轴像的半径大小叫近轴像高。

  近轴放大率:近轴像高和物高的比率叫近轴放大率,它在近轴像平面测量。无限大共轭系统的近轴放大率是0。

  近轴工作数F/#:

  有效的忽略失常的工作数F/#叫近轴工作数F/#。

  主波长:

  主波长用微米表示,用来计算系统的其他值。

  曲率半径:

  用透镜单位度量的每一表面的弯曲程度。

  连续描光:

  表面光圈:

  表面光圈包括:圆形;矩形;椭圆形和网孔形。用户还可以自己定义光圈和光阑,“浮动” 光圈是基于半径值而定义的。表面光圈对系统光圈没有影响。

  系统光圈:

  系统光圈是:系统F/#;入瞳直径;数值孔径或光闸,四个中的任何一个足以定义其他三个。系统光圈用来定义物空间的入瞳直径,反过来发射所有的光线。系统光圈只是圆形的,而且只有一个系统光圈。

  厚度:

  用透镜单位表示的这一表面到下一表面的相对距离。厚度不是累计的,每一个值都是独一无二的且沿着Z轴的方向。

  总迹:

  总迹指的是光学系统最左面到最右面的长度。从第一表面开始计算,任何一个位于表面1和像平面间的厚度都考虑了,忽略坐标旋转。

  渐晕因子:渐晕因子是描述入瞳大小和不同场角位置的系数。ZEMAX有五个渐晕因子:VDX;VDY;VCX;VCY;VAY。这些因素表征偏轴量,选择默认,代表把他们设为0,表示没有渐晕。

  光学系统的视场角和入瞳可以看坐是一个单位圆。而前面所说的归一化场域和光瞳坐标是两个单位圆。如果没有渐晕,ZEMAX在大部分计算中将会描绘所有的光线。

  很多光学系统都要精选光阑。这就是意味着一部分光线将被挡去。放置光谰的原因是:第一:在广角透镜中降低了透镜的大小;第二:可以除去一部分过分偏轴的光线。放置光谰通常使场角函数的F/#值增加(这样会使像变暗),但是大部分偏轴光线被除去后可以提高像的质量。

  工作数F/#:

  工作数F/#比像空间工作数F/#更有用,因为它是基于真实光线数据计算的。

  彗差:

  当一离轴光束斜向入射至透镜系统,经过孔径边缘所成的像高与经过孔径中心所成的像高不同形成的像差。

  畸变:像在离轴及轴上的放大率不同而造成,分为筒状畸变及枕状畸变两种形式。

  入射瞳孔:

  由轴上物点发出的光线,经过孔径光阑前的元件而形成的孔径光阑的像,亦即由轴上物点的位置去看孔径光阑所成的像。(孔径光阑在物空间的共轭像),入瞳和出瞳对整个系统来说显然是物和像的关系。

  出射瞳孔:

  由轴上物点发出的光线,经过孔径光阑后面的元件而形成的孔径光阑的像,亦即由像平面轴上的位置去看孔径光阑所成的像。出瞳距离最小为6㎜。在军用光学仪器中由于考虑倒加眼罩和在戴防毒面具的情况下仍能观察,出瞳距离一般为20㎜左右。

  场曲:所有在物平面上的点经过光学系统后会在像空间形成像点,这些像点所形成的像面若为曲面,则此系统有场曲。

  视场:物空间中,在某一距离光学系统所能接受的最大物体尺寸,此量值以角度为单位。

  焦数:

  有效焦距除以入射瞳孔直径的值。有时也称透镜的速度。

  子午平面:

  在一个轴对称系统中,包含主光线与光轴的平面。

  数值孔径:

  折射率乘以孔径边缘至物面(像面)中心的半夹角的正弦值,其值为两倍焦数的倒数。数值孔径有物面数值孔径和像面数值孔径两种。

  弧矢平面:

  包含主光线,且与子午平面正交的平面。

  弧矢光束:所有由物点出发而且在弧矢平面上的斜光线。

  光线交切曲线: 子午光线截在像平面上的高度相对于经过透镜系统后发出的光线的斜率的关系图。或者定义为经过透镜系统后的光线位移相对于孔径坐标的图。

  渐晕:

  离轴越远(越接近最大视场)的光线经过光学系统的有效孔径越小,所以越离轴的光线在离轴的像面上的光强度就越弱,而形成影像由中心向离轴晕开。

  体视: 当观察外界物体时,除了能够知道物体的大小;形状;亮度以及表面颜色以为,还能够产生远近的感觉。这种远近的感觉的感觉称为空间深度感觉,无论是用单眼或者双眼观察时都能产生。但是双眼的深度感觉比单眼的强得多,也在正确得多。我们把这种双眼的深度感觉称为双眼立体视觉,简称为体视。

  为了使人眼能够形成良好的体视感,双眼仪器左右两个光学系统必须满足以下的要求:

  (1)双眼仪器左右两个光学系统的光轴要平行;

  (2)两个光学系统的视放大率要一致;

  (3)两个光学系统之间不应该有相对的像倾斜;

  景深:

  空间物体成像的清晰度——景深。能在像面上获得晰度像的物空间深度就是系统的景深。在几何光学中,将像平面上允许的最大光斑直径作为景深标准。

  光线追迹:

  依次按照在每个面入射高和会聚角的数值,求出光线光路的过程。

  物方顶焦距:

  自光学系统第一面顶点到系统物方焦点的距离。

  物方截距:

  自顶点到入射光线与光轴交点的距离。

  像方顶焦距:

  像方焦点离开最后一面顶点的距离称为像方顶焦距。

  像方截距:

  自顶点到出射光线与光轴交点的距离。

  主平面: 垂轴放大率等于1的一对共轭面。

  焦物距:

  自光学系统物方焦点到轴上物点的距离。

  焦像距:

  自光学系统像方焦点到轴上像点的距离。

  节平面: 角放大率等于1的一对共轭面。

  光焦度: 像方折合焦距的倒数。

  视度 :与网膜共轭的物面到眼睛距离的倒数。

  视见函数:

  光度学中,为了表示人眼对不同波长辐射的敏感度差别,定义了一个函数V(λ),称为“视见函数”。在可见光范围内,人眼对黄绿光最敏感。V(555)=1。

  主观光亮度:

  外界物体通过眼睛成像在视网膜上,刺激视神经细胞引起视觉的强度称为主观光亮度。(1)对于发光点来说,当望远镜的出瞳直径大于瞳孔直径时,如果忽略系统的光能损失,通过望远镜观察时的主观光亮度等于人眼直接观察时主观光亮度的Г2倍。

  (2)对于发光面来说,使用望远镜观察时的主观光亮度永远小于眼睛直接观察时主观光亮度,这与发光点的情况完全不同。

  消色差物镜:

  两条谱线之间的轴向色差经过校正的物镜。

  复消色差物镜:

  三条谱线之间的轴向色差经过校正的物镜。

  变形系统:使物体在长宽两个方向上按不同的比例成像的光学系统。

  变焦距系统:

  焦距在一定范围内改变而保持像面不动的光学系统。

  调焦镜:

  光学系统的一部分,通过其移动,能配合系统物面位置改变,保持光学系统成像在原位置上。

  光圈数:

  被检光学表面与其参考光学表面曲率半径有偏差时所产生的干涉圈数。

  光圈局部误差:被检光学表面与其参考光学表面产生的干涉条纹的不规则程度。

  标准样板精度:

  标准样板的曲率半径名义值与其曲率半径实际值的偏差。

  光学零件气泡度:光学零件在一定范围内含有的气泡的大小和个数。


审核编辑(王金鹏)
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