成像系统的普通模型

       光学系统的成像及其质量评价是传统光学研究的一个中心问题。我们知道光学系统对扩展物体所成的像,则是对应于构成物体的所有点的衍射斑的叠加。对于相于成像系统,像的复振幅分布是所有衍射斑的复振幅分布的线性叠加;对于非相于成像系统,像的强度分布是衍射斑强度分布的线性叠加。

       大多数光学成像都不只限于用单个透镜，而是由若干光学元件组成的复合系统。因此，在考察光学系统对成像的影响时，必须找到对光束起实际限制作用的那个孔径，称为孔径光阑；孔径光阑对通过它前面的系统所成的像，称为系统的入射光瞳，它决定着进入系统的光束的大小。孔径光阑通过它后面的系统所成的像，称为系统的出射光瞳，它决定着从系统出射光束的大小。并且，入射光瞳、孔径光阑和出射光瞳三者相互共轭。

       光学系统的成像普遍地可以用图一来表示。图中显示了成像的三个过程:(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。这图示实际上表明,只要知道成像系统的边端性质(成像系统的边端由一个入瞳和一个出瞳组成),可以不必计及成像系统内部的结构和工作情况,就能够说明系统的性质。例如,对于无像差的理想成像系统(也称为衍射受限成像系统),它所表现出的边端性质是,可以将投射到入瞳的发散球面波变换成出瞳上的会聚球面波。而对于有像差的成像系统,表现出出上的波前将偏离理想球而波形,产生波像差。

      目前常用的双高斯结构设计成像镜头，双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图二所示。

      由于双高斯物镜是一个对称系统，所以很容易校正垂直像差。在设计这种类型的系统时，我们只需要考虑球面像差、色差、场曲率和像散的校正。在双高斯物镜中，可以通过厚透镜的结构变化来校正场曲率，可以通过薄透镜的弯曲来校正球面像差，可以通过改变两个厚透镜之间的距离来校正像散，并且可以通过将粘合表面插入厚透镜来校正色差。双高斯物镜的半系统可以看作是厚透镜的演变。修正了皮特斯旺场曲率的厚透镜是月牙形的，两个球体的半径相等。在厚透镜后面添加了由正透镜和负透镜组成的非焦点薄透镜组，这对整个光焦度的分布和像差分布没有明显影响。然后靠近厚透镜的负透镜与厚透镜分离并集成，从而形成两个具有不同球面半径的厚透镜和一个具有正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半系统。

【来源：光虎视觉内部培训资料】