《第六、八章光学系统的像差理论以及像质评价》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六、八章光学系统的像差理论以及像质评价（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 单击此处编辑母 版标题样式 1 光学系统的相差理 论和像质量评价 v光学系统的像差 v理想光学系统的分辨率 v各类光学系统分辨率的表示方法 Engineering Optics v与近轴区成像比较必然在成像位置和像的大 小方面存在一定的差异 被称为像差 v指在光学系统中由透镜材料的特性或折射 或 反射 表面的几何形状引起实际像与理想像的偏 差 实际光学系统都有一定大小的相对孔径合视场 远远超出近轴区所限定的范围 Engineering Optics 像差的大小反映了光学系统质量的优劣 几何像差主要有七种 单色光像差有五种 球差 彗差 正弦差 像散 场曲 畸变 复色光像差有两种 位置色差 轴向
2、色差 倍率色差 垂轴色差 Engineering Optics 在实际光学系统中 各种像差是同时存在的 这些像差影响光学系统成像的清晰度 相似性和色 彩逼真度等 降低了成像质量 1 球差 球面像差的简称 轴上点 Engineering Optics A Umax U hmax h A L L y l 对应孔径角Umax入射光线的高度hmax被称为全孔径 边 光球差 若h hmax 0 7 则称为0 7孔径或0 7带光 带光球差 对应孔径角U入射光线的高度h Engineering Optics v球差是轴上点唯一的单色像差 可在沿轴方向和垂轴方向来度量分别称为轴向球差和垂 轴球差 轴向球差又称
3、为纵向球差 它是沿光轴方向度量的球差 用符号 L 表示 垂轴球差是过近轴光线像点A 的垂轴平面内度量的球 差 用符号 T 表示 它表示由轴向球差引起的弥散圆的半径 T L tanU Engineering Optics 对于单透镜来说 U越大则球差值越大 单透镜自身不能校正球差 A Umax U hmax h A L L y l Engineering Optics 单正透镜会产生负值球差 也被称为球差校正不足或 欠校正 单负透镜会产生正值球差 也被称为球差校正过头 或过校正 如果将正负透镜组合起来 能否使球差得到校正 这种组合光组被称为消球差光组 Engineering Optics 光学系
4、统中对某一给定孔径 的光线达到 L 0的系统称 为消球差系统 h hmax L 0 0 2 0 3 0 5 0 7 0 85 单透镜的球差与焦距 相对孔 径 透镜的形状及折射率有关 对于给定孔径焦距和折射率的 透镜 通过改变其形状可使球 差达到最小 Engineering Optics 大孔径产生的球差 Engineering Optics 加发散透镜消除球差 Engineering Optics 球差 Engineering Optics 2 彗差 轴外点宽光束 了解成像光束光线的全貌 子午平面和弧矢平面 由轴外物点和光轴所确定的平面称为子午平面 子午平面内的光束称子午光束 过主光线且与子午
5、平面垂直的平面称为弧矢平面 弧矢平面内的光束称弧矢光束 Engineering Optics 彗差是轴外物点发出宽光束通过光学系统后 并不 会聚一点 相对于主光线而是呈彗星状图形的一种失 对称的像差 彗差通常用子午面上和弧矢面上对称于主光线的各对 光线 经系统后的交点相对于主光线的偏离来度 分 别称为子午彗差和弧矢彗差 子午彗差指对子午光线度量的彗差 子午光线对交点离开主光线的垂直距离KT 用来表示 此光线对交点偏离主光线的程度 Engineering Optics 弧矢彗差指对弧矢光线度量的彗差 弧矢光线对交点离开主光线的垂直距离Ks 用来表示 此光线对交点偏离主光线的程度 入瞳 像面 KT
6、 Engineering Optics 折射后的成像光束与主光束OBy 失去了对称性 A B E C O D F Ay By 在折射前主光线是光束的轴线 折射 后主光线就不再是光束轴线 不同孔径的光线在像平面上形成半 径不同的相互错开的圆斑 Engineering Optics 距离主光线向点越远 形成的圆斑直径越大 这些圆斑相互叠加的结果就形成了带 有彗星形状的光斑 光斑的头部 尖端 较亮 至尾部 亮度逐渐减弱 称为彗星像差 简 称彗差 A B E C O D F Ay By Engineering Optics Engineering Optics 彗差的形状有两种 彗星像斑的尖端指向视场
7、中心的称为正彗差K T 0 彗星像斑的尖端指向视场边缘的称为负彗差 K T 0 由于彗差没有对称轴只能垂直度量 所以它是垂轴 像差的一种 彗差对成像的影响 像的清晰度 使成像的质量降低 Engineering Optics 彗差对于大孔径系统和望远系统影响较大 彗差的大小与光束宽度 物体的大小 光阑位置 光组内部结构 折射率 曲率 孔径 有关 对于某些小视场大孔径的系统 如显微镜 常用 正弦差 来描述小视场的彗差特性 正弦差等于彗差与像高的比值 用符号SC 表示 Engineering Optics Engineering Optics 3 像散 轴外点细光束 轴外点细光束成像 将会产生像散和
8、场曲它们是互 相关联的像差 轴外物点用光束成像时形成两条相互垂直且相隔一定 距离的短线像的一种非对称性像差被称为像散 A A t s Engineering Optics 由子午光束所形成的像是一条垂直子午面的短线t称 为子午焦线 由弧矢光束所形成的像是一条垂直弧矢面的短线s称 为弧矢焦线 A A t s Engineering Optics 这两条短线不相交但相互垂直且隔一定距离 两条短线间沿光轴方向的距离即表示像散的大小 用符号Xts 表示 Xts Xt Xs A A t s Engineering Optics 这种即非对称又不会聚于一点的细光束称为像散光束 入瞳 光学系统 光屏 这两条
9、短线 焦线 光能量最为集中 它们是轴外点这两条短线 焦线 光能量最为集中 它们是轴外点 的像的像 Engineering Optics Engineering Optics 如果轴外物点是 十 字形图 案 BtBt 与BsBs 是B B点通过光学系统形成的子午像点与弧矢像 点 沿光轴之间的距离BtBt Bs Bs 是光学系统的像散 Bt Bs lt ls B Engineering Optics 当光学系统的子午像点比弧矢像点更远离高斯像面 即lt ls 像散Xts 为负值 反之 像散为正值 像散是物点远离光轴时的像差 且随视场的增 大而迅速增大 4 场曲 场曲是像场弯曲的简称 场曲是物平面形
10、成曲面像的一种像差 Engineering Optics 若光学系统存在像散 则实际像面还受像散的影响而 形成子午像面和弧矢像面 场曲需要以子午场曲和弧矢场曲来表征 1 子午场曲 用细光束子午场曲和宽光束子午场曲来度量 Engineering Optics 主光线 Z 理想像平面 OO 1 1 OO 2 2 t lt xt l 子午细光束焦点相对于理想像面的偏离称为细光束 子午场曲 用符号xt 表示 Engineering Optics 子午宽光束焦点相对于理想像面的偏离称为宽光束子 午场曲 用符号XT 表示 T T L LT T X X T T l l Engineering Optics
11、细光束子午场曲与宽光束子午场曲之差为轴外点子 午球差 2 弧矢场曲 用细光束弧矢场曲和宽光束弧矢场曲来度量 Engineering Optics 主光线 Z 理想像平面 OO 1 1 OO 2 2 t s lt xt ls xs l 弧矢细光束焦点相对于理想像面的偏离称为细光束弧 矢场曲 用符号xs 表示 Engineering Optics 弧矢宽光束焦点相对于理想像面的偏离称为宽光束 弧矢场曲 用符号XS 表示 T S Ls Xs LT XT l Engineering Optics 当光学系统不存在像散 即子午像与弧矢像重合 时 垂直于光轴的一个物平面经实际光学系统后所得到 的像面也不一
12、定于理想像面重合 细光束弧矢场曲与宽光束弧矢场曲之差为轴外点弧矢 球差 就形成一个曲面 纯场曲 像散和场曲既有区别又有联系 有像散必然存在场曲 但场曲存在是不一定有像散 Engineering Optics Engineering Optics 光学系统存在场曲时 不能使一个较大的平面物体上 的各点同时在同一像面上成清晰像 若按视场中心调焦 中心清晰 边缘则模糊 若按视场边缘调焦 边缘清晰 中心则模糊 5 畸变 相似性破坏 畸变是垂轴 横向 放大率随视场的增大而变化 所引起一种失去物像相似的像差 Engineering Optics 畸变的存在使轴外直线成为曲线像 枕形畸变 正畸变 垂轴放大率
13、随视场角的增大而增 大的畸变 桶形畸变 负畸变 垂轴放大率随视场角的增大而减 小的畸变 无畸变 正畸变 负畸变 Engineering Optics 视场的畸变用符号q表示 式中 实际放大率可以用实际主光线与高斯像面的交点高 度yz 与物高y之比表示 y 为理想像高 Engineering Optics 称为相对畸变 光学系统的线畸变 必须注意 1 畸变与其它像差不同 它仅由主光线的光路决定 2 畸变的存在仅引起像的变形 但不影响成像的清 晰度 Engineering Optics 有些场合 如果畸变的数值很小 是可以允许的 但有些场合 畸变是非常有害的 如 计量仪器中的投影物镜 航空测量物镜
14、等 影 响其测量精度 结构完全对称的光学系统 以 1倍的放大率成像 所有垂轴像差都能自动消除 畸变是一种垂轴向差 也能消除 Engineering Optics 单个薄透镜或薄透镜组的主面与孔径光阑重合时也不 会产生畸变 因为主光线通过透镜的主点并沿理想方向出射的原因 当光阑位于单透镜组之前或之后即产生畸变 符号相 反 垂轴像差与光阑位置的依赖关系 Engineering Optics 正畸变 负畸变 Engineering Optics 6 色差 色差分为 位置色差和倍率色差 1 位置色差 轴向色差 纵向色差 白光是由各种不同波长的单色光所组成的 复色光成像时 由于不同色光而引起的像差称为色
15、差 白色光中波长愈短折射率愈大 Engineering Optics 由薄透镜的焦距公式可知 同一薄透镜对不同色光 有不同的焦距 一定物距l成像时 因各色光的焦距不同所得到的像距 l 也不同 按色光的波长由短到长 其相应的像点离透镜有近到 远地排列在光轴上 这种现象称为位置色差 Engineering Optics 兰 绿 红 lF lFC lc AF Ac 位置色差定义为 Engineering Optics 称为色差校正不足 称为色差校正过渡 若AF 和AC 重合 则 称为光学系统对F光 紫 和C光 红 消色差 消色差系统是指对两种色光消轴向 位置 色差的 系统 Engineering O
16、ptics 位置色差不同于球差 它在近轴区就产生 细光束成像也不能获得白光的清晰像 因为位置色差会严重影响成像质量 可能比球差严重 因此用白光成像的光学系统都必须校正位置色差 孔径不同 白光将会有不同的位置色差 Engineering Optics 位置色差的性质类似于球差 光学系统只能对一个孔径的光线进行校正色差 一般情况下对0 7孔径的光线校正位置色差 随着接收器的不同 应取接近接收器有效波段边缘 的波长进行校色差 Engineering Optics 2 倍率色差 垂轴色差 光学材料对不同色光的折射率不同 对于光学系统 对不同色光就有不同的焦距 不同色光的焦距不等时 其放大率也不等 就有不同的像高 这就是倍率色差 Engineering Optics B B A A BF BD BC BF BD BC yzc yzD yzF yzF yzD yzc Engineering Optics 上图的叠加结果使像的边缘呈现彩色 光学系统的倍率色差是以两种色光的主光线在高斯像 面上的交点高度之差来度量的 影响影响成像清晰度清晰度 Engineering Optics v光学系统的像差 v理
