成像系統的普通模型

       光學系統的成像及其質量評價是傳統光學研究的一個中心問題。我們知道光學系統對擴展物體所成的像,則是對應于構成物體的所有點的衍射斑的疊加。對于相于成像系統,像的復振幅分布是所有衍射斑的復振幅分布的線性疊加;對于非相于成像系統,像的強度分布是衍射斑強度分布的線性疊加。

       大多數光學成像都不只限于用單個透鏡，而是由若干光學元件組成的復合系統。因此，在考察光學系統對成像的影響時，必須找到對光束起實際限制作用的那個孔徑，稱為孔徑光闌；孔徑光闌對通過它前面的系統所成的像，稱為系統的入射光瞳，它決定著進入系統的光束的大小。孔徑光闌通過它后面的系統所成的像，稱為系統的出射光瞳，它決定著從系統出射光束的大小。并且，入射光瞳、孔徑光闌和出射光瞳三者相互共軛。

       光學系統的成像普遍地可以用圖一來表示。圖中顯示了成像的三個過程:(1)光波由物平面到入瞳平面:(2)由入瞳平面到出瞳平面;(3)由出瞳平面到像平面。這圖示實際上表明,只要知道成像系統的邊端性質(成像系統的邊端由一個入瞳和一個出瞳組成),可以不必計及成像系統內部的結構和工作情況,就能夠說明系統的性質。例如,對于無像差的理想成像系統(也稱為衍射受限成像系統),它所表現出的邊端性質是,可以將投射到入瞳的發散球面波變換成出瞳上的會聚球面波。而對于有像差的成像系統,表現出出上的波前將偏離理想球而波形,產生波像差。

      目前常用的雙高斯結構設計成像鏡頭，雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬場曲的光學結構，半部系統是由一個彎月形的透鏡和一個薄透鏡組成，如圖二所示。

      由于雙高斯物鏡是一個對稱系統，所以很容易校正垂直像差。在設計這種類型的系統時，我們只需要考慮球面像差、色差、場曲率和像散的校正。在雙高斯物鏡中，可以通過厚透鏡的結構變化來校正場曲率，可以通過薄透鏡的彎曲來校正球面像差，可以通過改變兩個厚透鏡之間的距離來校正像散，并且可以通過將粘合表面插入厚透鏡來校正色差。雙高斯物鏡的半系統可以看作是厚透鏡的演變。修正了皮特斯旺場曲率的厚透鏡是月牙形的，兩個球體的半徑相等。在厚透鏡后面添加了由正透鏡和負透鏡組成的非焦點薄透鏡組，這對整個光焦度的分布和像差分布沒有明顯影響。然后靠近厚透鏡的負透鏡與厚透鏡分離并集成，從而形成兩個具有不同球面半徑的厚透鏡和一個具有正光焦度的薄透鏡的雙高斯物鏡半系統。

【來源：光虎視覺內部培訓資料】