《像差基础及矫正方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《像差基础及矫正方法（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第五章光阑第一节光阑与作用实际光学系统是不可能也不必要对实际光学系统是不可能也不必要对无限大的空间成像的。无限大的空间成像的。也也就是说实际光学系统只能对物空间中一定范围内的物体成满就是说实际光学系统只能对物空间中一定范围内的物体成满意的像。意的像。1、光阑的定义、光阑的定义在光学系统中能够限制成像光束大小或成像空间范围的元在光学系统中能够限制成像光束大小或成像空间范围的元件。件。2、光阑的作用、光阑的作用限制通过光学系统的光束宽度。即通过系统的光能量，从而限制通过光学系统的光束宽度。即通过系统的光能量，从而决定相面的照度。决定相面的照度。2021/6/71限制物空间中成像范围，决定光学视场
2、。照相中的取景限制物空间中成像范围，决定光学视场。照相中的取景范围。范围。限制光学中的有害杂光，改善成像质量。限制光学中的有害杂光，改善成像质量。根据光阑作用分类孔径光阑孔径光阑视场光阑视场光阑消杂光光阑消杂光光阑2021/6/72第二节 孔径光阑孔径光阑定义孔径光阑定义:限制成像光束光锥角的光阑限制成像光束光锥角的光阑根据各光孔与光学元件及给定物点的位置根据各光孔与光学元件及给定物点的位置关系，可有三种情况关系，可有三种情况1、透镜边框决定光锥角、透镜边框决定光锥角2、光孔决定光锥角、光孔决定光锥角(置前）置前）-u1AA2021/6/73-u1AA-23 3光孔决定光锥角光孔决定光锥角(
3、(置后置后）-u1AA-2222021/6/74孔径光阑是对一定位置的物而言的其判断，通孔径光阑是对一定位置的物而言的其判断，通过判断其所处的位置是否能限制成像光束的光过判断其所处的位置是否能限制成像光束的光锥角。锥角。确定方法归纳为：确定方法归纳为：1、将系统中所有的光孔往物空间成像，使这些像于、将系统中所有的光孔往物空间成像，使这些像于给定物点都在一个空间里；给定物点都在一个空间里；2 2、求出这些像的边缘对轴上物点的张角、求出这些像的边缘对轴上物点的张角3 3、比较这些张角的绝对值，其中张角绝对值最小的、比较这些张角的绝对值，其中张角绝对值最小的的那个像对应的光孔即是系统光孔的孔径光阑。
4、的那个像对应的光孔即是系统光孔的孔径光阑。2021/6/75第二节入瞳和出瞳第二节入瞳和出瞳入瞳的定义：入瞳的定义：在光学系统中，孔径光阑被前面的光组在在光学系统中，孔径光阑被前面的光组在物空间所成的像称为系统的入射光瞳。物空间所成的像称为系统的入射光瞳。 出瞳的定义：出瞳的定义：孔径光阑被后面的光组在像空间所成的像孔径光阑被后面的光组在像空间所成的像称为系统的出射光瞳。称为系统的出射光瞳。 在图在图3 3光孔置后光孔置后光孔像光孔像2即为系统的入瞳，光孔即为系统的入瞳，光孔2为孔径光阑，同时为孔径光阑，同时又是出瞳。因为光孔又是出瞳。因为光孔2后没有光组。后没有光组。入瞳与出瞳是共轭。入瞳与
5、出瞳是共轭。2021/6/762、孔径角定义：孔径角定义：从轴上物点从轴上物点A向入瞳边缘所引出的光向入瞳边缘所引出的光线的夹角线的夹角2为物方孔径角为物方孔径角 。 从轴上出瞳边缘向像点从轴上出瞳边缘向像点A所引出的光所引出的光线的夹角线的夹角2为像方孔径角为像方孔径角 。 孔径角意义孔径角意义1、表征实际光学系统的性能的重要参、表征实际光学系统的性能的重要参数数 2、决定像平面的照度、决定像平面的照度。 3、决定系统的分辨本领、决定系统的分辨本领。 4、决定成像的质量、决定成像的质量。 2021/6/77主光线主光线： 由轴外物点发出经过入瞳中心的（即孔径光阑中由轴外物点发出经过入瞳中心的
6、（即孔径光阑中心的）光线。心的）光线。-u1AA-222B根据共轭的关系，主光线经过系统以后根据共轭的关系，主光线经过系统以后一定经过出瞳的中心出射。一定经过出瞳的中心出射。2021/6/78常用孔径的表示方法常用孔径的表示方法1 1、显微镜：常用数值孔径来表示，公式：、显微镜：常用数值孔径来表示，公式：2 2、望远镜：常用相对孔径、望远镜：常用相对孔径A A来表示，公式：来表示，公式：3 3、照相物镜：常用光圈、照相物镜：常用光圈F F来表示，相对孔径的倒数，公来表示，相对孔径的倒数，公式：式：2021/6/79光圈指数的影响：光圈指数的影响：1 1、对底片上照度的影响、对底片上照度的影响;
7、 ;光圈决定了成像光束的光锥角，因光圈决定了成像光束的光锥角，因此决定了光能量。此决定了光能量。如如1.01.0，1.41.4，2 2，2.82.8等照度相差一倍。要想相同的照度，等照度相差一倍。要想相同的照度，在其他条件不变，曝光时间相差一倍。在其他条件不变，曝光时间相差一倍。底片照度与相对孔径的平方成正比。所以光圈通常底片照度与相对孔径的平方成正比。所以光圈通常 是以为公式的等比数列是以为公式的等比数列 2021/6/7102 2、对理论解像力和像差的影响：根据衍射理论分辨力与、对理论解像力和像差的影响：根据衍射理论分辨力与相对孔径成正比。相对孔径成正比。根据公式可知相对孔径越大，镜头的分
8、辨力越高。缩小光根据公式可知相对孔径越大，镜头的分辨力越高。缩小光圈可以减少某些像差，使清晰度改善，但是过小会出现衍圈可以减少某些像差，使清晰度改善，但是过小会出现衍射现象，所以正确选择光圈。射现象，所以正确选择光圈。3 3、对景深的影响：改变光圈可以使景深随之变化，使不同、对景深的影响：改变光圈可以使景深随之变化，使不同深度的各物点在感光底片上得到成像。深度的各物点在感光底片上得到成像。2021/6/711第三节第三节 视场光阑视场光阑定义定义：能够限制物平面上成像范围的光阑：能够限制物平面上成像范围的光阑视场光阑的确定：视场光阑的确定：将系统中所有光孔往物空间成像，在这些像中有一个是入将系
9、统中所有光孔往物空间成像，在这些像中有一个是入瞳。所有的像边缘对人瞳中心的张角中有一个最小的张角，瞳。所有的像边缘对人瞳中心的张角中有一个最小的张角，这个光阑像对应的光阑为视场光阑。这个光阑像对应的光阑为视场光阑。入窗和出窗入窗和出窗视场光阑被它前面的光组在物空间中所成像称为系统的入射窗视场光阑被它前面的光组在物空间中所成像称为系统的入射窗2021/6/712视场光阑被它后面的光组在像空间中所成像称为系统的出射窗视场光阑被它后面的光组在像空间中所成像称为系统的出射窗视场角：视场角：物视场角：在物空间，入窗的边缘对入瞳物视场角：在物空间，入窗的边缘对入瞳中心的张角中心的张角像视场角：在像空间，出
10、窗的边缘对入瞳像视场角：在像空间，出窗的边缘对入瞳中心的张角中心的张角渐晕：渐晕：由轴外物点发出的充满入瞳的光束中部分光线由轴外物点发出的充满入瞳的光束中部分光线被其他光孔阻挡的现象叫轴外光束的渐晕被其他光孔阻挡的现象叫轴外光束的渐晕2021/6/713B1B3AB2物平面入瞳入窗AB2物平面入瞳入窗2021/6/7141、B1A圆形区，通过入瞳可以很好成像圆形区，通过入瞳可以很好成像2、B1B2圆形区，通过入瞳的光线逐渐被入窗部分阻挡。圆形区，通过入瞳的光线逐渐被入窗部分阻挡。其像逐渐减弱，到其像逐渐减弱，到B2只剩一半光线。只剩一半光线。3、B2B3圆形区，通过入瞳的光线进一步被入窗阻挡，
11、圆形区，通过入瞳的光线进一步被入窗阻挡，到到B3B3只剩一条光线。进一步只剩一条光线。进一步减弱，减弱，B B3 3以外不能参与成像。以外不能参与成像。渐晕的产生很难得到清晰的图像边缘！消除渐晕渐晕的产生很难得到清晰的图像边缘！消除渐晕的方法是采用物平面与入窗平面重合。的方法是采用物平面与入窗平面重合。2021/6/715第四节景深第四节景深定义：能够在像平面上获得清晰像的物空间深度范围称为景深定义：能够在像平面上获得清晰像的物空间深度范围称为景深前面研究的渐晕，针对的是轴外点。可视为面的成像，在实前面研究的渐晕，针对的是轴外点。可视为面的成像，在实际研究中，会通过空间立体成像的问题。际研究中
12、，会通过空间立体成像的问题。物平面以外的点在像平面成像不是一个点像而是一个物平面以外的点在像平面成像不是一个点像而是一个“弥散斑弥散斑”当弥散斑不被人眼或接收器识别，仍认为是一个清晰点像当弥散斑不被人眼或接收器识别，仍认为是一个清晰点像实际上，景深是远离物平面物点成像不能分实际上，景深是远离物平面物点成像不能分辨的最远距离！辨的最远距离！2021/6/716第六章第六章 像差像差从实际的角度，光学系统要有一定的视场和孔径或具有一定宽从实际的角度，光学系统要有一定的视场和孔径或具有一定宽度的光束成像才有意义。度的光束成像才有意义。像差：像差：由于实际光学系统与近轴成像或理想光学系统之由于实际光学
13、系统与近轴成像或理想光学系统之间的差别造成的成像缺陷间的差别造成的成像缺陷由于光学系统本身的物理条件造成的。由于光学系统本身的物理条件造成的。像差像差单色像差（球差、慧差、像散、场曲、畸变）单色像差（球差、慧差、像散、场曲、畸变）色差（位置色差和倍率色差）色差（位置色差和倍率色差）2021/6/717第二节球差和慧差第二节球差和慧差概念概念：轴上物点成像的像差叫球差：轴上物点成像的像差叫球差轴外物点成像的像差叫慧差轴外物点成像的像差叫慧差形成原因形成原因AAA0-LL2021/6/718同一物点以不同倾斜角度成像，像点位置不同。同一物点以不同倾斜角度成像，像点位置不同。这种像点的差值就是球差！
14、这种像点的差值就是球差！2021/6/719球差现象球差现象：在像平面形成了一个弥散斑。：在像平面形成了一个弥散斑。校正校正整体弯曲，改变球曲面半径，不能完全校正整体弯曲，改变球曲面半径，不能完全校正采用双胶合成和双分离的透镜组。采用双胶合成和双分离的透镜组。2021/6/720单个正透镜球差恒为负，单个正透镜球差恒为负，单个负透镜球差恒为正单个负透镜球差恒为正需要消除需要消除正负胶合在一起为双胶透镜正负胶合在一起为双胶透镜正负胶之间有一定的空气间隔称为分离透镜正负胶之间有一定的空气间隔称为分离透镜慧差慧差子午面子午面:轴外物点主光线和光轴所构称的平面。轴外物点主光线和光轴所构称的平面。子午线
15、子午线:子午面内的光线。子午面内的光线。2021/6/721对于轴上的一点任何通过轴平面均为子午面！对于轴上的一点任何通过轴平面均为子午面！弧矢面弧矢面：与子午面垂直的平面，一般为包含主光线并与子午面垂直的平面，一般为包含主光线并与子午线垂直的平面。与子午线垂直的平面。弧午线弧午线：在弧矢面内的光线在弧矢面内的光线慧差形成原因慧差形成原因入射光束对于主光线是对称的，系统存在慧差，出射光入射光束对于主光线是对称的，系统存在慧差，出射光线也不对称，造成像不是一个点而是一个彗星状的弥散线也不对称，造成像不是一个点而是一个彗星状的弥散斑斑2021/6/722慧差定义：慧差定义：把点物成像成为一个彗星状
16、的弥散斑的这把点物成像成为一个彗星状的弥散斑的这种像差种像差慧差的校正慧差的校正利用合适的孔径和视场，不易利用合适的孔径和视场，不易过大过大合理选择玻璃材料，改变球面曲率合理选择玻璃材料，改变球面曲率半径半径采用对称结构采用对称结构2021/6/723第三节第三节 像散、场曲和畸变像散、场曲和畸变像散：像散：轴外轴外“ “ 十十”字图案通过像散系统时，在字图案通过像散系统时，在TT和和SS处十字图案各点的像是不同的，而且不会是水平和垂处十字图案各点的像是不同的，而且不会是水平和垂直线全部都清楚，这种现象就是像散现象直线全部都清楚，这种现象就是像散现象像散的原因像散的原因由于轴外的物点成像时，通
17、过光学系统后的光束所对由于轴外的物点成像时，通过光学系统后的光束所对应的波面不是球面波，而变成非球面波，它在子午面应的波面不是球面波，而变成非球面波，它在子午面和弧矢面的曲率不同，所以子午像点和弧矢像点不会和弧矢面的曲率不同，所以子午像点和弧矢像点不会重合，从而产生像散。重合，从而产生像散。2021/6/724校正：校正：1 1、控制视场，小为宜、控制视场，小为宜2 2、改变球面曲率、改变球面曲率3 3、适当透镜材料、适当透镜材料4 4、合理设置光阑的位置、合理设置光阑的位置2021/6/725场曲的定义：场曲的定义：当轴外物体上不同视场的各点以细光束成像时，将具有不同的像散值。当轴外物体上不
18、同视场的各点以细光束成像时，将具有不同的像散值。因此因此一个平面物体必然形成两个像面一个平面物体必然形成两个像面。因轴上点无像差，所以这两个。因轴上点无像差，所以这两个像面必然同时相切于理想像面与光轴的交点上，这样就形成以像面必然同时相切于理想像面与光轴的交点上，这样就形成以光轴为光轴为对称轴的两个回转曲面对称轴的两个回转曲面。当系统消除像散以后，这两个曲面重合，但。当系统消除像散以后，这两个曲面重合，但仍不会和理想像面重合，这种像差称为场曲或像面弯曲。仍不会和理想像面重合，这种像差称为场曲或像面弯曲。场曲的原因场曲的原因远轴点，视场大，物距大远轴点，视场大，物距大校正校正使用弯月形厚透镜使用
19、弯月形厚透镜常采用正负透镜分离的方法常采用正负透镜分离的方法2021/6/7262021/6/727畸变的定义畸变的定义是轴外物点以单色细光束成像时产生的像差。畸变的大小是垂是轴外物点以单色细光束成像时产生的像差。畸变的大小是垂直于光轴度量的，因此畸变也是一种垂轴像差。直于光轴度量的，因此畸变也是一种垂轴像差。畸变的原因畸变的原因大视场，大视场，随着视场改变而不同，物象共轭，即会产生形变。随着视场改变而不同，物象共轭，即会产生形变。畸变的校正畸变的校正垂轴像差，当垂轴像差，当1，这种像差可以自动校正，这种像差可以自动校正选择合理的光阑位置选择合理的光阑位置2021/6/728枕形畸变枕形畸变桶
20、形畸变桶形畸变2021/6/729第四节色差第四节色差色差的分类色差的分类位置色差位置色差倍率色差倍率色差位置色差的形成位置色差的形成同一透镜对不同波长的色光成像的焦距不同，物距一定，焦距同一透镜对不同波长的色光成像的焦距不同，物距一定，焦距不同像距就不同，因此一个物点形成很多像点。位置色差就是不同像距就不同，因此一个物点形成很多像点。位置色差就是轴上的物点以复色西光束成像时产生的像差。轴上的物点以复色西光束成像时产生的像差。校正校正为了消色差，应使两透镜的光焦度符合相反，即为了消色差，应使两透镜的光焦度符合相反，即正、负透镜胶合正、负透镜胶合两透镜的材料不能相同两透镜的材料不能相同2021/
21、6/730倍率色差原因倍率色差原因轴外物点以复色细光束成像时产生的像差，倍率色差的度量时垂直轴外物点以复色细光束成像时产生的像差，倍率色差的度量时垂直光轴，也是一种垂轴像差。光轴，也是一种垂轴像差。对轴外点来说，两种色光的横向放大不一定相同，不同色光的距对轴外点来说，两种色光的横向放大不一定相同，不同色光的距不同时，其横向放大率也不相等，因而像也不相等。不同时，其横向放大率也不相等，因而像也不相等。定义定义校正校正相接触的双薄透镜组相接触的双薄透镜组一定空气间隔的双薄透镜组，通过合理空气间隔来校正一定空气间隔的双薄透镜组，通过合理空气间隔来校正因为垂轴像差，对称性结构，所以当因为垂轴像差，对称
22、性结构，所以当1，这种像差可以，这种像差可以自动校正自动校正2021/6/731光学系统对像差的要求光学系统对像差的要求p74 2021/6/732式中式中 光通量；光通量；V() 人眼的光谱光效率函数，对于其它元件人眼的光谱光效率函数，对于其它元件如电池、光电管、光电倍增管、感光底片等如电池、光电管、光电倍增管、感光底片等, V()为各自的光谱灵敏度为各自的光谱灵敏度函数；函数；c 常数，常数，c=685lmW。辐射能通量辐射能通量：辐射能通量辐射能通量(又称为辐射功率又称为辐射功率)是表示辐射能强是表示辐射能强度的物理量。定义为：单位间内通过某截面的辐射能量。其单位度的物理量。定义为：单位
23、间内通过某截面的辐射能量。其单位为为W光度学的基本概念光度学的基本概念光通量光通量：用来反映辐射能通量的视见强度。光通量就是辐射能用来反映辐射能通量的视见强度。光通量就是辐射能通量中可以引起人眼视刺激的那部分辐射能通量。通量中可以引起人眼视刺激的那部分辐射能通量。2021/6/733其物理意义为其物理意义为：若光源发出的全部是波长为若光源发出的全部是波长为555nm555nm的单色光的单色光V(V()=1 )=1 ，并且其功率（辐射能通量，并且其功率（辐射能通量) )为为1W1W，则该光源辐射的光通，则该光源辐射的光通量为量为6851m6851m。 发光强度发光强度。用来描述点光源在某方向上的
24、强度。其定义为：点光用来描述点光源在某方向上的强度。其定义为：点光源在某方向上单位立体内辐射的光通量。即源在某方向上单位立体内辐射的光通量。即式中式中d叫叫立体角，以立体角顶点为球心，以立体角，以立体角顶点为球心，以r r为半径的球面上为半径的球面上，由立体角的边缘在球面截得的面积为，由立体角的边缘在球面截得的面积为ds，则立体角为：，则立体角为：d d= = ds /r2。立体角的单位为。立体角的单位为sr(sr(球面度球面度) )2021/6/734发光强度的单位为发光强度的单位为cd(cd(坎德拉坎德拉) )，它是光度学的基准单位，其它光，它是光度学的基准单位，其它光度学单位均由此基准单
25、位导出，如光通量的单位为度学单位均由此基准单位导出，如光通量的单位为lm(lm(流明流明) )，1 1lm=1=1cd1sr。根据国际照明委员会根据国际照明委员会(CIE)1967年的规定：在年的规定：在101325Nm2的大气的大气压下，在铂凝固温度（压下，在铂凝固温度（2045K)2045K)的绝对黑体的绝对黑体1 160cm60cm2 2面积垂直方向面积垂直方向上的发光强度规定为上的发光强度规定为1cd光照度（照度）。光照度（照度）。单位被照明表面上接收到的光通量。单位被照明表面上接收到的光通量。式中式中ds-ds-被照明表面的面积。照度的单位为被照明表面的面积。照度的单位为lxlx（勒
26、克斯（勒克斯) )2021/6/735面发光度。面发光度。它表示发光度表面的发光能力，面发光定义为：单位它表示发光度表面的发光能力，面发光定义为：单位发光体表面上辐射出去的光通量发光体表面上辐射出去的光通量式中式中ds发光体表面上的发光面积，面发光度的单位为发光体表面上的发光面积，面发光度的单位为lx。亮度亮度。亮度描述面光源沿某方向上的发光能力。设光源亮度描述面光源沿某方向上的发光能力。设光源ds发出的光发出的光束组束组成一个很小的立体角成一个很小的立体角d，光束轴线与面积元，光束轴线与面积元ds的法线的法线N N成成i i角。角。在在d立体角内发出的光通立体角内发出的光通量量d为：为： 2021/6/736式中式中B为光源的亮度。所以，亮度就是沿光源法线方向单位面积上的发光为光源的亮度。所以，亮度就是沿光源法线方向单位面积上的发光强度。亮度的单位以前为尼特强度。亮度的单位以前为尼特(nt)。尼特是每平方米的均匀发光表面在。尼特是每平方米的均匀发光表面在其法线方向上发出其法线方向上发出1cd的光强时的亮度。的光强时的亮度。现在亮度的单位是坎德拉每平方米。亮度超过现在亮度的单位是坎德拉每平方米。亮度超过16*104cd/m2,将引起人眼的将引起人眼的痛感。痛感。2021/6/7372021/6/738部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
