光学系统的像差PPT课件.ppt

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1、n理想成像的要求n出入射光束为同心光束，只有近轴区成像才是理想成像。像差概念的导出像差概念的导出 实际光学系统中实际光学系统中,存在着远轴区产生的存在着远轴区产生的实实际像与际像与近轴区产生的近轴区产生的理想像之间的偏离理想像之间的偏离。此。此时时,从物体上任一点发出的光束通过光学系统从物体上任一点发出的光束通过光学系统后不能会聚为一点后不能会聚为一点,而形成一弥散斑而形成一弥散斑,使使像像不不能严格地表现出原物体形状能严格地表现出原物体形状,这就是这就是像差像差。实际光学系统中轴上点的成像单色像差单色像差 n球差球差轴上点宽光束像差轴上点宽光束像差 n彗差彗差轴外点宽光束像差轴外点宽光束像差

2、 n像散像散轴外点细光束像差轴外点细光束像差n像面弯曲（简称场曲）像面弯曲（简称场曲）n畸变畸变 球球 差差n轴上物点以宽光束成像时产生的像差。轴上物点以宽光束成像时产生的像差。n不同孔径角的光线所成的像点相对于理想不同孔径角的光线所成的像点相对于理想像点的位置偏离。像点的位置偏离。n由于此球差是沿光轴方向度量的，也称为由于此球差是沿光轴方向度量的，也称为轴向球差轴向球差 轴上物点的单色像差轴上物点的单色像差球差球差 此处光此处光束截面最束截面最小小理想像面位置理想像面位置正透镜球差图示正透镜球差图示理想像面位置理想像面位置 弥散斑半径弥散斑半径-T-Ll L-lA-UU球差的存在，使像面上形

3、成一个弥散斑，其半球差的存在，使像面上形成一个弥散斑，其半径称为垂轴球差径称为垂轴球差负透镜球差图示负透镜球差图示理想像面位置理想像面位置 L-l-L-lA-U-U-T球差球差轴上物点发出的宽光束经薄透镜后轴上物点发出的宽光束经薄透镜后不再交于一点不再交于一点度量球差大小度量球差大小会聚透镜会聚透镜发散透镜发散透镜可可选取不同曲率的透镜或复合透镜消球差选取不同曲率的透镜或复合透镜消球差影响球差的主要因素：影响球差的主要因素：n随物方孔径角的增大而增大随物方孔径角的增大而增大n与透镜形状有关与透镜形状有关n与焦距有关，焦距越长，球差越小与焦距有关，焦距越长，球差越小轴外像差轴外像差 n彗差彗差轴

4、外点宽光束像差轴外点宽光束像差 n像散像散 轴外点细光束像差轴外点细光束像差 n像面弯曲（简称场曲）像面弯曲（简称场曲）n畸变畸变 慧差P慧尾形的弥散像慧尾形的弥散像子午面子午面由轴外物点由轴外物点B和光轴组成的对称面和光轴组成的对称面入瞳入瞳Bz弧矢面弧矢面通过主光线和子午面垂直的面通过主光线和子午面垂直的面 主光线：由轴外物点主光线：由轴外物点B发出并通过入瞳中心的光线发出并通过入瞳中心的光线入瞳入瞳Bz子午彗差：子午彗差：子午面上、下光线的交点子午面上、下光线的交点BT到主光线到主光线在垂直光轴方向的偏离，称为在垂直光轴方向的偏离，称为子午彗差子午彗差，用符号，用符号KT表示。表示。Ba

5、 BzBbabzBA入瞳入瞳KT C弧矢彗差：弧矢彗差：弧矢面上前、后光线的交点弧矢面上前、后光线的交点BS到主到主光线在垂直光轴方向的偏离，称为光线在垂直光轴方向的偏离，称为弧矢彗差弧矢彗差，用，用符号符号KS表示。表示。畸变的产生畸变的产生 对于一般实际光学系统来说，只有在近对于一般实际光学系统来说，只有在近轴区垂轴放大率才是常数。当视场增大时，轴区垂轴放大率才是常数。当视场增大时，像的垂轴放大率便会随视场变化而异，这将像的垂轴放大率便会随视场变化而异，这将会使像相对于原物失去相似性。这种使像变会使像相对于原物失去相似性。这种使像变形的成像缺陷就称为形的成像缺陷就称为畸变畸变。n如光学系统

6、存在正畸变即实际像高大于理想像高，所成的像为枕形，负畸变则成桶形。n畸变只引起变形，不影响像的清晰度桶形畸变桶形畸变枕形畸变枕形畸变像失真，但不影响像像失真，但不影响像的清晰度（是由于垂的清晰度（是由于垂轴放大率不同）轴放大率不同）.畸变畸变光学系统对共轭面上不同高度的光学系统对共轭面上不同高度的物体垂轴放大率不同产生畸变物体垂轴放大率不同产生畸变.正正畸变畸变负畸变负畸变物物像像畸变使像变形畸变使像变形五、色像差五、色像差 用白光进行成像时，除了每种单色光仍会产用白光进行成像时，除了每种单色光仍会产生五种单色像差外，还会因不同色光有不同折射生五种单色像差外，还会因不同色光有不同折射率造成的色

7、散，而使不同的色光有不同的传播光率造成的色散，而使不同的色光有不同的传播光路，从而呈现出因路，从而呈现出因不同色光的光路差别而引起的不同色光的光路差别而引起的像差像差，称之为，称之为色像差色像差（简称（简称色差色差）。色像差因性）。色像差因性质不同而分为质不同而分为位置色差位置色差和和倍率色差倍率色差两种。两种。色差色差:位置（轴向）色差位置（轴向）色差倍率（横向）色差倍率（横向）色差n位置色差是描述2种色光对轴上物点成像位置差异的色差。正透镜位置色差图示正透镜位置色差图示白光白光CFLF LC-LFC AAF AC轴轴上上物物点点发发出出的的大大孔孔径径光光线线不不聚聚焦焦于于一一点点 P负

8、透镜位置色差图示负透镜位置色差图示 LFC-LC-LF-LAn因色差的存在，轴上点成像是一个弥散斑因色差的存在，轴上点成像是一个弥散斑，在，在a点和在点和在c点看到的弥散斑颜色有何不同点看到的弥散斑颜色有何不同？不不同同波波长长的的光光，焦焦距距不不同同,像像的的位位置置不不同同在在1,2,31,2,3三三截截面面上上,形形成成的的光光环环半半径不同径不同.近轴物近轴光线成像的色差近轴物近轴光线成像的色差n色差严重影响光学系统成像性质，一般光学系统都必须校正色差。可以用正负透镜适当组合来校正位置色差。影响位置色差的主要因素：影响位置色差的主要因素：n随随孔径角的增大而增大孔径角的增大而增大n与

9、光学材料的折射率和色散率有关与光学材料的折射率和色散率有关n与透镜的焦距有关与透镜的焦距有关上排为位置色差，下排为球差，两者均为轴上像差上排为位置色差，下排为球差，两者均为轴上像差倍率色差倍率色差 此是一种因不同色光成像的高度（也即此是一种因不同色光成像的高度（也即倍率）不同而造成的像大小差异的色差。倍率）不同而造成的像大小差异的色差。它是以两种色光（此即它是以两种色光（此即F F光和光和C C光）的主光）的主光线在高斯像面上的交点高度之差来度量，光线在高斯像面上的交点高度之差来度量，以符号以符号 YFC表示之。表示之。倍率色差图示倍率色差图示入瞳入瞳CFYF YC-YFC ABF BCBn倍

10、率色差随视场的增大而增大，由于倍率色差的存在，使物体边缘呈现彩色，从而，造成白光所成的像呈现彩色斑。n对于一般光学系统来说，球差、慧差和位置色差这三种对对成像性质影响较大，所以首先考虑消除，因人眼具有自动校正色差功能，故影响成像质量主要是球差和慧差。光学设计的意义光学设计的意义 尽管光学系统有一系列像差，而且一般总尽管光学系统有一系列像差，而且一般总不能将其完全校正和消除。但由于人眼和所有不能将其完全校正和消除。但由于人眼和所有其它光能接收器也有一定的敏感缺陷，其它光能接收器也有一定的敏感缺陷，只要使只要使得各种像差的数值小于一个容许的限度得各种像差的数值小于一个容许的限度，人眼，人眼和其它光

11、接收器还是觉察或反映不出其成像的和其它光接收器还是觉察或反映不出其成像的不完善性。这样的光学系统从实用意义来说，不完善性。这样的光学系统从实用意义来说，可认为是理想的。可认为是理想的。影响影响倍率倍率色差的主要因素：色差的主要因素：n随视场的增大而增大；随视场的增大而增大；n与光阑位置有关；与光阑位置有关；n与光学材料的折射率和色散率有关与光学材料的折射率和色散率有关轴外物点发出的同心轴外物点发出的同心光束，由于此斜向细光束，由于此斜向细光束的子午面和弧矢光束的子午面和弧矢面相对折射球面的位面相对折射球面的位置不同，使子午和弧置不同，使子午和弧矢面在球面上的截线矢面在球面上的截线曲率不同。使水

12、平方曲率不同。使水平方向和竖直方向的光线向和竖直方向的光线的聚焦点在不同平面的聚焦点在不同平面上上像散和场曲（2 2）像散（）像散（轴外点细光束）轴外点细光束）透镜光轴光轴子午子午焦线焦线弧矢弧矢焦线焦线物点物点物物面面像像面面像像的的质质量量最最好好像散图示像散图示n子午、弧矢2个方向的光束在主光线上不同位置分别产生2条相互垂直的前后焦线，称lslt最小弥散圆主光线子午焦线弧矢焦线从子午焦线开始先出现从子午焦线开始先出现长轴与子午面垂直的椭长轴与子午面垂直的椭圆，至中间变为最小弥圆，至中间变为最小弥散圆，后再变成长轴在散圆，后再变成长轴在子午面的椭圆，后再聚子午面的椭圆，后再聚焦为弧矢焦线。

13、焦为弧矢焦线。卫生部视光学研究中心卫生部视光学研究中心 美国博士伦视力保健公司美国博士伦视力保健公司前后焦线之间为一系列大小不等的椭圆形光学切面，前后焦线之间为一系列大小不等的椭圆形光学切面，其中最小的光学切面为一圆形，称最小弥散圆其中最小的光学切面为一圆形，称最小弥散圆M M轴子午线轴子午线水平焦线水平焦线垂直焦线垂直焦线最小弥散环最小弥散环 度数子午线度数子午线物体物体A AB BD DC CSturmSturm间隙间隙1-D57n子午焦线和弧矢焦线与主光轴的交点分别称为子午像点和弧矢像点，二者在延轴位置的差异称为像散像散的影响因素像散的影响因素n随随视场增大而增大视场增大而增大n与光阑位

14、置有关与光阑位置有关n与系统焦距及透镜表面曲率有关与系统焦距及透镜表面曲率有关n此外，与光束大小也有关此外，与光束大小也有关像面弯曲（简称场曲）像面弯曲（简称场曲）场曲场曲 光学系统如存在像散，一个物面将形成光学系统如存在像散，一个物面将形成两个像面（即两个像面（即子午像面和弧矢像面）子午像面和弧矢像面），两，两弯曲像面与高斯像面的偏离分别称为弯曲像面与高斯像面的偏离分别称为子午子午场曲场曲和和弧矢场曲弧矢场曲，以符号，以符号 xt和和xs表示表示之。之。n球面光学系统存在场曲是由球面本身的固有特性决定的，如存在较大场曲时，就不能使平面物体上各点同时清晰成像，此时若把中间调清晰，边缘就变的模糊。场曲的危害场曲的危害Optics of astigmatic Lenses场曲的影响因素场曲的影响因素n随随视场增大而增大视场增大而增大n与光阑位置有关与光阑位置有关n与球面系统结构有关与球面系统结构有关n此外，与光束大小也有关此外，与光束大小也有关