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1、光学基础知识简介像差 像差 指在光学系统中由透镜材料的特性和折 射（反射）表面的几何形状引起的实际像和 理想像的偏差。 像差实际光学系统成像的一系列缺陷像差 球差 慧差 像散 单色光像差 场曲 畸变 轴向色差 复色光像差 垂轴色差球差 轴上点发出的同心光束经光学系统中球面折 射后，将不为同心光束，不同倾角的光线交 光轴与不同的位置。 轴上点在像面得不到完善的像点，而是得到 一个弥散圆。 单正透镜产生负球差，单负透镜产生正球差O1O2AlA-uu-U1L- LU - T慧差 轴外物点发出宽光束通过光学系统后，不会 聚在一点，而是呈彗星状图形的一种相对主 光线失对称的像差。 子午慧差和弧矢慧差 子
2、午平面：由轴外物点和光轴所确定的平面 弧矢平面：过主光线且与子午平面垂直的平 面高 斯 像 面OkBYzz YaYbab KTghefcdabhgfedcbaBzB像散 轴外物点用细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像 差。 子午光束和弧矢光束分别成像为两条短线 ，这两条短线不相交而相互垂直且隔一定距 离光阑像 平 面光学系统T S场曲 物平面成曲面像的一种像差 实际光学系统不能使垂轴直线仍成像为垂轴 直线。 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个像面上成清晰 的像。若按中心调焦，中心清晰，边缘则模 糊，反之已然。CA B 畸变 横向（垂
3、轴）放大率随视场的增大而变化所 引起的物像失去相似性的像差。色差 白光由各种不同波长（颜色）的单色光组成 光学材料对不同波长的色光折射率不同，造 成了各色光之间成像位置和大小的差异。 由不同色光引起的像差称为色差。 轴向色差（位置色差） 垂轴色差（倍率色差）轴向色差 同一透镜对不同色光有不同焦距，对一定物 距成像时，像距不同，按波长由短到长，像 点离开透镜由近到远地排列在光轴上。AO 1O kAFAc垂轴色差 不同色光的焦距不等时，放大率也不等，因 而有不同的像高。FDCBA实际光组中光束的限制 在实际光学系统中所用的光学零件总有 一定的大小，因此从一点出发能进入光学系 统的光束其立体角立体角
4、大小将取决于光学零件光学零件的 尺寸尺寸。 更确切地说，是夹持光学零件的金属框限 制了成像光束的大小，光学上把这种限制成限制成 像光束像光束的光孔称之为光阑光阑孔径光阑 限制成像光束的光阑。 入瞳：孔径光阑被其前面光组在系统物空间 所成的像。 出瞳：孔径光阑被其后面光组在系统像空间 所成的像。 对于一定位置的物体而言，入瞳决定了能进 入系统成像的最大光束孔径，且是物面上各 点发出的成像光束进入系统的公共入口。 物方孔径角：轴上物点发出的过入瞳边缘的 光线与光轴的夹角U。 像方孔径角：由出瞳边缘射至轴上像点的光 线与光轴的夹角U 。 过入瞳中心的光线称为主光线。其也过孔径 光阑和出瞳的中心。 孔
5、径光阑只是对一定的物体位置而言的。BB 孔径角是表征实际光学系统功能的重要参数 之一，它决定了像的照度与系统的分辨细节 的能力。 光学系统的几种与孔径角有关的性能参数。 数值孔径NA，相对孔径A，F#数值孔径NA 显微和投影系统常用NA表示性能。 NA=n*sinUmax N为物方介质的折射率 物方孔径角越大，数值孔径越大，进入系统 的光能越多，理论分辨本领越高。相对孔径A 望远和摄影系统常用相对孔径A表示性能。 AD/f D是入瞳直径，f是物镜焦距 焦距一定时，入瞳直径越大，其相对孔径也 越大，表明能进入系统的光能也越多。F/# 相对孔径的倒数。 F=f/D 光从无限远入射时的轴上有效焦距和
6、近轴入 瞳孔径之比。视场光阑 限制物体成像范围的光阑。 入射窗：视场光阑被其前面光组在物空间所 成的像。 出射窗：视场光阑被其后面光组在像空间所 成的像。 入射窗限制物空间的成像范围。 出射窗限制像空间的成像范围。 物方视场角：在物空间中，入窗边缘对入瞳 中心的张角2。 像方视场角：在像空间中，出窗边缘对出瞳 中心的张角2 。 半视场角与可以表示光组视场的大小，因 此习惯上常把与称为视场角。光学系统视场的表示方法 线视场：用能看到的物平面直径表示。 常用于近距离成像系统，如显微系统。 角视场：用物方视场角2和像方视场角2表 示。 常用于远距离成像系统，如望远镜，照相物 镜。光学玻璃 对折射率色
7、散投射比光谱透射比和光吸收等光 学特性有特定要求，且光学性质均匀的玻璃。 按光学性质可分为冕牌玻璃和火石玻璃。各自 又分为多种，如：氟冕（FK）、冕（K）、钡 冕（BaK）、火石（F）、重火石（ZF） 冕牌玻璃低折射率，低色散。 火石玻璃高折射率，高色散。 光学玻璃一般有如下几种光学常 数： 折射率 n 阿贝常数 Vb=(nD-1)/(nF-nC) 中部色散 dn=nF-nC衍射极限 衍射极限指光学系统产生像差的原因不是设 计和制造缺陷，而是由于衍射物理效应。 简单说就是现有情况下所能达到的最好状况光学传递函数OTF 把物的亮度分布分解为各种频率的谱（展成傅 立叶级数或傅立叶积分），研究光学系统对各 种空间频率亮度呈余弦分布目标传递能力。 调制传递函数MTF 相位传递函数PTF 高频部分反映对物体细节传递能力；中频反映 对物体层次传递能力；低频部分物体轮廓传递 能力。
