《工程光学》课程中像差理论的教学探讨

苏倩倩

摘要：在像差理论讲解的过程中，将软件引进教学，通过Zemax软件仿真可以清晰地看到更量化的像差，将复杂的公式，定律变得更直观，最后进一步提出消除像差的方法，更有效加强学生对各种像差的理解和掌握。

关键词：工程光学;像差理论;球差;Zemax

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）19-0074-02

一、引言

光电信息工程专业的光学类课程包括工程光学、光电子技术、信息光学、半导体器件、光纤传感技术、光通信等。其中工程光学作为光学类课程的必修课其内容包括两部分，一部分是从光线与几何学的角度描述光的传输及其成像特征的几何光学，另一部分是从电磁波角度描述光的本性和其传播规律的物理光学，该课程涉及的教学内容多、理论性偏强，面对这些枯燥的理论物理知识，学生在学习过程中容易产生反感并失去学习的动力，因此我们的教学任务就是要将这些物理现象以一种更为形象的方式展现给学生。例如“像差理论”这一章节，仅仅通过讲解课本上各种像差的理论公式来介绍各种像差的差别、产生的原因、消除方法是很难让学生真正理解并吸收。而像差理论这部分知识又是作为后续进行光学设计实践（对光学系统进行像差校正）前必须掌握的内容。针对这一问题，首先我们可将光学软件引进教学，在像差理论讲解的过程中，结合Zemax软件辅助可以清楚的看到更量化的像差，更有效加强学生对各种像差的理解;在理解不同像差产生的原因之后，并结合实际生产情况，进一步讲解各种不同像差的校正方法，理论结合实际，让学生认识到，基础知识不仅是概念理论和公式，更是实际应用中的产品和解决实践问题的手段，提高学生的学习兴趣。并结合实际生产情况，进一步讲解各种不同像差的校正方法，理论结合实际，让学生认识到，基础知识不仅是概念理论和公式，更是实际应用中的产品和解决实践问题的手段，提高学生的学习兴趣。本文主要针对像差这一章节的知识点进行讲解，下面举例讲解。

我们以球差为例，利用软件进行讲解。球差是指轴上发出的通信光束经光学系统各个球面折射后，就不再是同心光束，不同倾角的光线交与不同的位置上，相对理想像点的位置有不同的位置偏离，在像面上形成的是一弥散斑。球差对成像光学系统设计有着重要的影响，因此认识球差产生的原因，并消除球差是非常必要的。为了让学生深刻理解球差产生的原因、大小、特征、校正方法，我们以一简单透镜为例，研究球差在ZEMAX软件中的详细表示。打开软件，设置透镜厚度10mm，焦距为75mm，F/#为1.5，玻璃材料为BK7，入曈大小为50mm.，设置Aperture Value值为50mm，在透镜后表面的曲率半径上设置F/#为1.5，在像面的厚度上设置边缘光线高度解Marginal Ray Height，可直接得到焦平面位置。ZEMAX默认设置时波长为550mm，视场角为0。这样就完成一个简单的单透镜系统。打开Layout如图1可直观解释球差产生的原因。

我们以不同光曈区域上的光线入射到像面上，在像面上与光轴的垂直高度大小作为衡量系统产生的球差大小。为了进一步定量分析球差在不同孔径的大小，可打开Ray Fan图即球差曲线，球差曲线描述的是不同光曈位置处光线在像上高度与主光线高度差值。并且从Ray Fan图可看出球差曲线的旋转对称性。同样，打开Spot Diagram光斑图也可定量看到球差大小及球差的旋转对称特点，如图3球差大小RMS为5066.35um，通过与Airy衍射斑比较可以直观地评定像质。

若要更精确更量化知道球差的数据，可以使用ZEMAX提供的Seidel像差统计查看球差数据，Seidel系数表示各个面对总球差的贡献量，完全做到具体的量化，使学生对每个面的球差有了更深刻的认识。

对于球差的校正方法，在实际应用中主要使用两种方法：正负透镜补偿法和非球面校正球差。正透镜提供正球差，负透镜提供的是负球差，采用正、负透镜组合可校正球差。另外，在不能增加透镜的情况下，使用非球面来消除球差也是一种有效方法。以本文建立的单透镜为例，将透镜第二个面设置成非球面，优化后，光斑变为零，球差完全消除了如图4，可见使用非球面的方法效果显著，但是非球面的加工成本较高。

理论与软件仿真相结合，直观的介绍了球差产生的原因，球差的特征，定量分析球差，并提出实际应用中球差的校正方法。

二、总结

将光学软件引进教学，在像差理论讲解的过程中，通过Zemax软件可以清晰地看到更量化的像差，将复杂的公式，定律变得更直观，更有效地加强学生对各种像差的理解和掌握。理论知识结合实际应用的情况，提出各种像差的校正方法，进一步促进学生对理论知识的理解，提高学生的学习兴趣，培养学生的应用能力，为后续光学设计的应用打下坚实的基础。

参考文献：

[1]萧泽新.工程光学设计[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2]郁道银，谈恒英.工程光学[M].北京：机械工业出版社，2005.endprint