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1、?工程光學(xué)?課程中像差理論的教學(xué)討論
?工程光學(xué)?課程中像差理論的教學(xué)討論
一、引言
光電信息工程專業(yè)的光學(xué)類課程包括工程光學(xué)、光電子技術(shù)、信息光學(xué)、半導(dǎo)體器件、光纖傳感技術(shù)、光通信等。其中工程光學(xué)作為光學(xué)類課程的必修課其內(nèi)容包括兩部分，一部分是從光線與幾何學(xué)的角度描繪光的傳輸及其成像特征的幾何光學(xué)，另一部分是從電磁波角度描繪光的本性和其傳播規(guī)律的物理光學(xué)本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理，該課程涉及的教學(xué)內(nèi)容多、理論性偏強(qiáng)，面對(duì)這些枯燥的理論物理知識(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易產(chǎn)生反感并失去學(xué)習(xí)的動(dòng)力，因此我們的教學(xué)任務(wù)就是要將這些物理現(xiàn)象以一種更為形象的方式展現(xiàn)給學(xué)生。例如像差理論
2、這一章節(jié)，僅僅通過(guò)講解課本上各種像差的理論公式來(lái)介紹各種像差的差異、產(chǎn)生的原因、消除方法是很難讓學(xué)生真正理解并吸收。而像差理論這部分知識(shí)又是作為后續(xù)進(jìn)展光學(xué)設(shè)計(jì)理論〔對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)展像差校正〕前必須掌握的內(nèi)容。針對(duì)這一問(wèn)題，首先我們可將光學(xué)軟件引進(jìn)教學(xué)，在像差理論講解的過(guò)程中，結(jié)合Zeax軟件輔助可以清楚的看到更量化的像差，更有效加強(qiáng)學(xué)生對(duì)各種像差的理解;在理解不同像差產(chǎn)生的原因之后，并結(jié)合實(shí)際消費(fèi)情況，進(jìn)一步講解各種不同像差的校正方法，理論結(jié)合實(shí)際，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，根底知識(shí)不僅是概念理論和公式，更是實(shí)際應(yīng)用中的產(chǎn)品和解決理論問(wèn)題的手段，進(jìn)步學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。并結(jié)合實(shí)際消費(fèi)情況，進(jìn)一步講解各種不同像
3、差的校正方法，理論結(jié)合實(shí)際，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，根底知識(shí)不僅是概念理論和公式，更是實(shí)際應(yīng)用中的產(chǎn)品和解決理論問(wèn)題的手段，進(jìn)步學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文主要針對(duì)像差這一章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)展講解，下面舉例講解。
我們以球差為例，利用軟件進(jìn)展講解。球差是指軸上發(fā)出的通信光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)球面折射后，就不再是同心光束，不同傾角的光線交與不同的位置上，相對(duì)理想像點(diǎn)的位置有不同的位置偏離，在像面上形成的是一彌散斑。球差對(duì)成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著重要的影響，因此認(rèn)識(shí)球差產(chǎn)生的原因，并消除球差是非常必要的。為了讓學(xué)生深化理解球差產(chǎn)生的原因、大孝特征、校正方法，我們以一簡(jiǎn)單透鏡為例，研究球差在ZEAX軟件中的詳細(xì)表示。翻開軟
4、件，設(shè)置透鏡厚度10，焦距為75，F(xiàn)/#為1.5，玻璃材料為BK7，入曈大小為50.，設(shè)置ApertureValue值為50，在透鏡后外表的曲率半徑上設(shè)置F/#為1.5，在像面的厚度上設(shè)置邊緣光線高度解arginalRayHEight，可直接得到焦平面位置。ZEAX默認(rèn)設(shè)置時(shí)波長(zhǎng)為550，視場(chǎng)角為0。這樣就完成一個(gè)簡(jiǎn)單的單透鏡系統(tǒng)。翻開Layut如圖1可直觀解釋球差產(chǎn)生的原因。
我們以不同光曈區(qū)域上的光線入射到像面上，在像面上與光軸的垂直高度大小作為衡量系統(tǒng)產(chǎn)生的球差大校為了進(jìn)一步定量分析球差在不同孔徑的大小，可翻開RayFan圖即球差曲線，球差曲線描繪的是不同光曈位置處光線在像上高度與
5、主光線高度差值。并且從RayFan圖可看出球差曲線的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。同樣，翻開SptDiagra光斑圖也可定量看到球差大小及球差的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特點(diǎn)，如圖3球差大小RS為5066.35u，通過(guò)與Airy衍射斑比較可以直觀地評(píng)定像質(zhì)。
假設(shè)要更準(zhǔn)確更量化知道球差的數(shù)據(jù)，可以使用ZEAX提供的Seidel像差統(tǒng)計(jì)查看球差數(shù)據(jù)，Seidel系數(shù)表示各個(gè)面對(duì)總球差的奉獻(xiàn)量，完全做到詳細(xì)的量化，使學(xué)生對(duì)每個(gè)面的球差有了更深化的認(rèn)識(shí)。
對(duì)于球差的校正方法，在實(shí)際應(yīng)用中主要使用兩種方法：正負(fù)透鏡補(bǔ)償法和非球面校正球差。正透鏡提供正球差，負(fù)透鏡提供的是負(fù)球差，采用正、負(fù)透鏡組合可校正球差。另外，在不能增加透
6、鏡的情況下，使用非球面來(lái)消除球差也是一種有效方法。以本文建立的單透鏡為例，將透鏡第二個(gè)面設(shè)置成非球面，優(yōu)化后，光斑變?yōu)榱?，球差完全消除了如圖4，可見使用非球面的方法效果顯著，但是非球面的加工本錢較高。
理論與軟件仿真相結(jié)合，直觀的介紹了球差產(chǎn)生的原因，球差的特征，定量分析球差，并提出實(shí)際應(yīng)用中球差的校正方法。
二、總結(jié)
將光學(xué)軟件引進(jìn)教學(xué)，在像差理論講解的過(guò)程中，通過(guò)Zeax軟件可以明晰地看到更量化的像差，將復(fù)雜的公式，定律變得更直觀，更有效地加強(qiáng)學(xué)生對(duì)各種像差的理解和掌握。理論知識(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的情況，提出各種像差的校正方法，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，進(jìn)步學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用才能，為后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基矗
《工程光學(xué)》課程中像差理論的教學(xué)探討
