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近轴(或理想)系统的参数。也就是说,主光线非常接近光轴的透镜。然而,情况并非总是如此,随着我们远离近轴光学条件,像差的存在对设计性能有更大的影响。

19世纪后期,厄恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)定义了物高和像高之间的关系,这使得具有更好像质的新复杂系统得以发展。事实上,阿贝曾与卡尔蔡司合作开发显微镜。我们现在称这种关系为阿贝·辛恩条件,以表彰他的贡献。


图1所示。阿贝正弦条件原理图来自Alex Small的图片。(2018)。物理学报,86(7),487-494。

图1所示。阿贝正弦条件原理图。来自Alex Small的图片。(2018)。物理学报,86(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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其中阿贝正弦条件表示为光学系统的放大率、物体的折射率、像空间和边缘光线。阿贝正弦条件在光学上的基本意义是:对于离轴点的成像,无论它们在介质中以何种角度传播,所有光线的放大比都应该相同。因此方程1右边的比值对于所有射线也应该是相同的。阿贝正弦条件因此创造了一个要求,即图像的放大倍率应该是相同的,无论射线击中的镜头表面。


阿贝正弦条件有一个非常实际的应用:当射线以最大角度撞击镜头边缘时(即边缘射线),像差通常会产生最糟糕的效果。因此,ASC为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还给出了一种量化系统中像差阶次的方法。对于任何光线(不仅仅是边缘光线),我们可以将角2写成1的函数,反之亦然,然后将n1sinQ1=n2sinQ2表示为其中一个角度的幂级数。零阶项应该等于放大倍数,而高阶项的系数的目标是要么使其为零,要么使其最小化。在奇函数(sin)的比率中消去一个因子意味着消除了三阶彗差。


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