《光学设计导论》：笔记

这是光学，但不是光学设计！答案是：瑞利散射。

这是什么意思？可见光是电磁辐射的一种形式，其波长范围约为0.35微米（紫色）至0.75微米（红色）。虽然光通常沿直线传播，但空气分子等粒子也会使其发生散射，这意味着部分光能会被偏转至各个方向。 波长大小（决定光的颜色）与散射粒子大小之间的关系，决定了散射的方向。

对于地球大气层而言，这种效应在波长最短时最为显著，而在红光波长处则几乎降至零。由于可见光在0.5微米处强度最大（我们将其感知为蓝色），因此该波长的散射作用最为显著，天空便呈现出蓝色。

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激光是如何工作的？

尽管光学设计师在他们设计的许多系统（如超市商品扫描仪和CD播放器）中都使用了激光，但激光的基本原理取决于光的光子性质。光子是能量粒子，原子和分子可以吸收和发射光子。

当原子吸收一个光子时，它会暂时储存这部分多余的能量（我们说原子处于更高的能级）。当原子“放松”回到其自然的低能状态时，它会以另一个光子的形式释放出多余的能量（我们称之为自发辐射—— 这是自然发生的）。激光之所以能够实现，是因为存在另一种称为受激辐射的光子发射方式。 如果能设法让大量原子进入特定的高能态，就可以利用光来触发或“激发”它们，使其同时释放出多余能量的光子（我们说这些光子是同相的，或者说是相干的）。

有多种方法可以将大量原子置于相同的高能状态（这被称为“泵浦”激光），也有多种方法能将它们维持足够长的时间，从而积累起一个强大的光能“脉冲”。激光确实非常迷人——请参阅参考文献以了解更多信息。

关于光的实验可能会得出关于其基本性质的不同结论。在激光器内部以及许多光探测器（如摄像机中的探测器）中，光的行为显然像是一股粒子流，其中每一粒子都携带一定且固定的能量——这就是我们所说的光子。 但当激光光束穿过两个间距很近的针孔时，产生的干涉图样却类似于将两块石头投入水中时所看到的涟漪——它们会形成相互干涉的水波。在许多方面，激光光显然表现得像波一样。然而，这仍是同一束光。我们通常将这种反复无常的行为称为波粒二象性。

点源产生的波前是相位恒定的球面。光线是垂直于这些波面的直线，表示能量在某一点上的传播方向。

透镜的形状和尺寸多种多样，许多光学系统都采用多个透镜元件，通过恰到好处的折射来形成所需的图像，同时将像差降至最低。透镜的基本分类可分为正透镜（聚光或聚光透镜）和负透镜（发散透镜）：

尽管这些具体示例在形状上是对称的（前后曲率相等但符号相反），但大多数透镜元件并非对称的。曲率、玻璃特性以及厚度都会影响透镜改变光线通过路径的方式。确定这些参数（通常涉及多个透镜协同工作）是光学设计师的职责。

使用光学设计软件评估光学系统模型的方法有很多。当您“评估”一个模型时，实际上是希望在镜头制造之前对其进行模拟，并预测其性能表现。成像系统旨在将光线聚焦成清晰的图像，但您需要比这更精确。一些较为常见的评估指标包括光斑图、包围能和调制传递函数（MTF）。

点图是显示点光源发出的光线在像面上落点分布的图形。若要使透镜形成清晰的像，这些光线必须密集地聚集在一起。包围能是一种测量方法，用于描述点图中能量（通过计数光线确定）随半径变化的分布情况，其中半径以中心为基准（通常以图表形式展示）。

MTF涉及空间频率，它是衡量场景中各部分间距大小的指标。试想一堵白色的栅栏，后面是一栋深色的房子。从几米外看，你可以轻松分辨出白色条纹与深色条纹之间的对比。这就是低空间频率。现在再看一把黑色的梳子放在白纸上。从几米外看，你可能根本无法分辨出那里是否有深浅相间的条纹！ 这就是高空间频率，你可以将其视为场景中的精细细节。镜头（例如你的眼睛）更容易成像低空间频率，而非高频率。MTF 是一张图表，展示了镜头从低频到高频的“频率响应”。每个镜头都有一个最大频率或截止频率，这意味着总有一些细节过于精细，以至于镜头无法检测到。

像点图是一种图表，用于显示点光源发出的光线在像面上落点的位置。若要使透镜形成清晰的像，这些光点必须密集分布。该图表通常经过高度放大（仿佛是通过显微镜观察像点一样），其形状可以反映透镜中像差的类型和程度。其中最显著的或许是彗差，其名称已相当贴切地描述了这种像差。

透镜弯曲

透镜的曲率是指透镜元件前曲率与后曲率的相对值。能够聚焦于特定距离的透镜（即前曲率与后曲率的组合）有无穷多种，但根据透镜的“弯曲”方式不同，像差也会随之变化。

图10.透镜弯曲的小、中、大尺寸示例。

每片镜片的曲率自然会影响镜片质量。镜片设计师将曲率作为设计参数之一，通常以隐式方式使用（即优化程序会结合许多其他因素和要求，确定最佳曲率）。

要查明问题的确切原因并设计出解决方案，需要来自众多机构（包括被是德科技收购的光学研究协会）的众多光学工程师、科学家和设计师共同努力。此次安装矫正镜片的维修任务，使哈勃太空望远镜（HST）的性能几乎恢复到了设计水平。

如需了解更多关于哈勃太空望远镜（HST）的信息（以及大量关于天文学及其他相关主题的精彩教育资料），请访问太空望远镜科学研究所的网站。