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1、第八章 光学系统成像质量评价,81 概 述,本章主要解决三个问题： 1、什么是像差？如何评价系统的成像质量？ 2、几何像差的定义 3 、理想光学系统的分辨率,81 概 述,一、对系统成像性能的要求： 1、光学特性 包括焦距，物距，像距，放大率，入瞳位置，入瞳距离等； 解决这些问题：利用前面所学应用光学的知识,2、成像质量 足够清晰，物像相似，变形要小 解决这些问题：利用光学设计的知识,二、成像质量评价的方法,1、光学系统实际制造完成后对其进行实际测量,分辨率检验： 分辨率：光学系统成像时所能分辨的最小间隔,空间频率：的倒数 ，单位：lp/mm,星点检验 一个物点通过光学系统成像后，根据弥散斑的
2、大小和能量分布的情况，可以评判系统的成像质量,分辨率检验时所采用的图案：,分辨率检验时所采用的图案：,星点检验 衍射受限系统的夫朗和斐衍射图,星点检验 衍射受限系统的艾里斑的三维光强分布,星点检验 衍射受限系统：子午面内的等强度线,2、设计阶段的评价方法,几何光学方法：几何像差，波像差，点列图，几何光学传 递函数,物理光学方法：点扩散函数，相对中心光强，物理光学传 递函数,82 介质的色散和光学系统的色差,一、介质的色散,波长 速度 折射率,红光 长 快 小,紫光 短 慢 大,n1-n2 色散,色散: 介质对两种不同颜色光线（用波长 和 表示)的折射率之差,色散: 某一种介质对两种不同颜色光线
3、（用波长 和 表示)的折射率之差,中部色散: 某一种介质对F（486.13nm）光和C光(656.28nm)的折射率之差,二、色差,1、什么叫色差？,2、色差的表示方法,轴向色差：,不同颜色像点沿光轴方向的位置之差。,F红,F黄,F紫,通常用C、F光像平面的间距表示轴向色差,垂轴色差： 不同颜色像对应大小之差。,一般也用C、F 光在同一基准像面的像高之差表示。,F红,F黄,F紫,红,黄,紫,83 轴上像点的单色像差：球差,一、球差的定义,A1,A 0,不同孔径光线对理想像点的位置之差,二、球差的表示方法,大口径边缘光线对距系统最后一面的距离,近轴（理想）像点位置,符号规则：由理想像点计算到实际
4、光线交点,三、存在球差时的像点形状,最小弥散圆,弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面,8-4 轴外像点的单色像差,子午面：主光线和光轴决定的平面,一.子午像差,子午光线对,子午光线对交点,子午光线对交点与理想像平面不重合,同样，子午光线对交点与主光线不重合,子午场曲: 子午光线对交点到理想像面的距离,孔径选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3)hm,子午彗差：子午光线对交点到主光线的距离,视场选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3),孔径选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3)hm,细光束子午场曲：子午细光线对交点到理想像面的距离
5、,轴外子午球差 ：子午宽光束交点到细光束交点的距离,视场选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3),二.弧矢像差,弧矢光线对,弧矢光线对交点,弧矢光线对交点与理想像平面不重合,同样，弧矢光线对交点与主光线不重合,弧矢场曲: 弧矢光线对交点到理想像面的距离,孔径选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3)hm,弧矢彗差：弧矢光线对交点到主光线的距离,视场选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3),孔径选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3)hm,细光束弧矢场曲：弧矢细光线对交点到理想像面的距离,轴外弧矢球差 ：弧矢宽
6、光束交点到细光束交点的距离,视场选取：( 1， 0.85, 0.7071, 0.5, 0.3),正弦差：彗差与像高的比值,像散：,畸变：成像光束的主光线的实际像高和理想像高之差,平均场曲：,像点形状及特性,最小弥散圆,像差形状及特性,二.彗差 弧矢彗差大约等于子午彗差 的三分之一 光学系统有彗差时像点的 形状如彗星,三.像散,像差形状及特性,子午焦线 弧矢焦线,在子午焦线处，得到水平焦线 在弧矢焦线处，得到垂直焦线 在两焦线之间，为椭圆,四.场曲 若存在场曲，像面不是平面，是一个曲面,五.畸变,像的大小和理想想高不等 畸变不影响像的清晰 只影响像的变形 如果实际像高小于理想像高：桶形畸变 如果
7、实际像高大于理想像高：鞍形畸变 畸变和视场的三次方成正比,垂轴像差,子午垂轴像差,弧矢垂轴像差,85 几何像差的曲线表示,举例：计算如图所示系统的像差系统光学特性为L= =-18 h=10 系统的主要近轴参数为f=40.111 lF=28.269 y=13.42,轴上点像差,1.0h 0.85h 0.7h 0.5h 0.3h 0.0h L 0.01632 -0.03319 -0.04516 -0.03377 -0.01451 0 SC -0.00048 -0.00036 -0.00026 -0.00014 -0.00005 0 Lg 0.08203 0.02128 0.00262 0.0080
8、8 0.02416 0.03704 LC 0.05059 0.00044 -0.01213 -0.001440.01740 0.03169 LgC 0.03143 0.02084 0.01476 0.00952 0.00676 0.00535,轴外细光束像差, 1.0 0.85 0.7 0.5 0.3 yz -0.11120-0.07304-0.04409-0.01634-0.00363 xt -0.06395-0.018260.00068 0.00605 0.00373 xs -0.03940-0.05270 -0.05038 -0.03363 -0.01390 xts -0.024550.
9、03444 0.05106 0.03968 0.01763 ygC 0.00445-0.00241-0.00565-0.00655-0.00484,轴外宽光束像差, 1.0 0.85 0.7 0.5 0.3 LT1h 0.394840.37338 0.31459 0.19827 0.08993 KT1h -0.00666 -0.00857 -0.00941-0.00647-0.00595 LT7h 0.110690.09554 0.06942 0.02327-0.01802 KT7h -0.01040 -0.00878-0.00712-0.00448-0.00278 LS1h 0.63399
10、0.45824 0.32002 0.16716 0.07041 KS1h -0.03192-0.02101-0.01343-0.00601-0.00258,子午垂轴像差,+1.0h +0.85h +0.7h +0.5h +0.3h0 -0.3h -0.5h -0.7h -0.85h -1.0h 1.0 0.070630.01823-0.00285-0.00980-0.006480.0.00082-0.00390-0. 01795-0.03942-0.08394 0.85 0.076170.025180.00411-0.00423-0.003080.-0.000154-0.00700-0 .02
11、166-0.04446-0.09331 0.7 0.067670.022990.00485-0.00224-0.001560.-0.00207-0.00663-0. 01908-0.03976-0.08650 0.5 0.044790.012510.00065-0.00252-0.001060.-0.00132-0.00319-0. 00961-0.02306-0.05772 0.3 0.01795-0.00056-0.00532-0.00389-0.001170.-0.000160.00062-0.0 0024-0.00701-0.02984 0 0.00420-0.00720-0.0080
12、9-0.00425-0.001090.0.001090.004250 .008090.00720-0.00420,弧矢垂轴像差,1.0 0.85 0.7 0.5 0.3 yszs yszs yszs yszs yszs 1.0h -0.03192 0.14715 -0.021010.10156 -0.013430.06814 -0.006010.03407 -0.002580.01450 yszs yszs yszs yszs yszs 0.85h -0.02228 0.07163 -0.014700.04467 -0.009430.02574 -0.004350.00747 -0.00186
13、-0.00231 yszs yszs yszs yszs yszs 0.7h -0.01525 0.03248 -0.010110.01698 -0.006530.00679 -0.00311-0.00215 -0.00134-0.00628 yszs yszs yszs yszs yszs 0.5h -0.00763 0.00675 -0.005100.00070 -0.00333-0.00257 -0.00164-0.00447 -0.00072-0.00456 yszs yszs yszs yszs yszs 0.3h -0.00276 -0.00066 -0.00186-0.00258
14、 -0.00122-0.00317 -0.00061-0.00277 -0.00027-0.00183,像差曲线,垂轴像差曲线,理想成像： 球面波 波像差 实际波面和理想波 面之间的光程差,86 用波像差评价光学系统的成像质量,用波像差评价光学系统的成像质量,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 -1.479-1.470-1.436 9 -1.444-1.454-1.480-1.506-1.499 8 -1.165-1.186-1.246-1.334-1.433-1.503-1.479 7 -0.820-0.844-0.917-1.034-1.186-1.350-1.480-1.
15、494 6 -0.507-0.530-0.601-0.722-0.893-1.101-1.318-1.480-1.479 5 -0.271-0.290-0.351-0.461-0.625-0.844-1.101-1.350-1.503 4 -0.120-0.134-0.181-0.271-0.416-0.625-0.893-1.186-1.433-1.499 3 -0.040-0.049-0.081-0.149-0.271-0.461-0.722-1.034-1.334-1.506 2 -0.008-0.013-0.032-0.081-0.181-0.351-0.601-0.917-1.246-1.480-1.436 1 -0.001-0.002-0.013-0.049-0.134-0.290-0.530-0.844-1.186-1.454-1.470 0 0.000-0.001-0.008-0.040-0.120-0.271-0.507-0.820-1.165-1.444-1.479 -1 -0.001-0.002-0.013-0.049-0.134-0.290-0.530-0.844-1.186-1.454-1.470 -2 -0.008-0.013-0.032-0.081-0.181-0.351-0.601-0.917-1.246-1.480-1.43
