幾何光學(xué)課件第六章-2

1、第六章 　　像差與像質(zhì)評(píng)價(jià),本文來(lái)自一生范文網(wǎng) http://www.onesheng.cn，更多優(yōu)秀范文模板請(qǐng)?jiān)L問(wèn)http://www.onesheng.cn,§6-1　像差的定義與特點(diǎn),像差：　　　實(shí)際像與理想像之間的差異,像差產(chǎn)生的原因：實(shí)際系統(tǒng)成像均具有一定的孔經(jīng)和視場(chǎng)，且材料的特性或折射（或反射）表面的幾何形狀引起實(shí)際像與理想像的偏差。,像差的大小反映了光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣,幾何像差主要有七種：,球差

2、彗差(正弦差)像散場(chǎng)曲畸變,軸向像差(位置色差)垂軸像差(倍率色差),,1、軸上點(diǎn)（球差）：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,-Umax,-U,hmax,h,A０’,L’,－δL’,△y’,l’,A’,球差是軸上點(diǎn)唯一的單色像差,,球差是軸上點(diǎn)唯一的單色像差,可在沿軸方向和垂軸方向來(lái)度量分別稱(chēng)為軸向球差和垂軸球差。,軸向球差又稱(chēng)為縱向球差,它是沿光軸方向度量的球差，用符號(hào)δL’ 表示,垂軸球差是過(guò)近軸光

3、線(xiàn)像點(diǎn)A’的垂軸平面內(nèi)度量的球差。用符號(hào)δT’ 表示,它表示由軸向球差引起的彌散圓的半徑,δT’= δL’ tanU’,對(duì)于單透鏡來(lái)說(shuō)，U越大則球差值越大,單透鏡自身不能校正球差,單正透鏡會(huì)產(chǎn)生負(fù)值球差，也被稱(chēng)為球差校正不足或欠校正,單負(fù)透鏡會(huì)產(chǎn)生正值球差，也被稱(chēng)為球差校正過(guò)頭或過(guò)校正,如果將正負(fù)透鏡組合起來(lái)，能否使球差得到校正？,這種組合光組被稱(chēng)為消球差光組,大孔徑產(chǎn)生的球差,加發(fā)散透鏡消除球差,,本文來(lái)自一生范文網(wǎng) h

4、ttp://www.onesheng.cn，更多優(yōu)秀范文模板請(qǐng)?jiān)L問(wèn)http://www.onesheng.cn,2、彗差,了解成像光束光線(xiàn)的全貌：子午平面和弧矢平面,由軸外物點(diǎn)和光軸所確定的平面稱(chēng)為子午平面,子午平面內(nèi)的光束稱(chēng)子午光束,過(guò)主光線(xiàn)且與子午平面垂直的平面稱(chēng)為弧矢平面,弧矢平面內(nèi)的光束稱(chēng)弧矢光束,彗差是軸外物點(diǎn)發(fā)出寬光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，并不會(huì)聚一點(diǎn)，相對(duì)于主光線(xiàn)而是呈彗星狀圖形的一種失對(duì)稱(chēng)的像差,彗差通常用子午面上和弧矢

5、面上對(duì)稱(chēng)于主光線(xiàn)的各對(duì)光線(xiàn)，經(jīng)系統(tǒng)后的交點(diǎn)相對(duì)于主光線(xiàn)的偏離來(lái)度量，分別稱(chēng)為子午彗差和弧矢彗差,子午彗差指對(duì)子午光線(xiàn)度量的彗差,子午光線(xiàn)對(duì)交點(diǎn)離開(kāi)主光線(xiàn)的垂直距離KT’用來(lái)表示此光線(xiàn)對(duì)交點(diǎn)偏離主光線(xiàn)的程度,弧矢彗差指對(duì)弧矢光線(xiàn)度量的彗差,弧矢光線(xiàn)對(duì)交點(diǎn)離開(kāi)主光線(xiàn)的垂直距離Ks’用來(lái)表示此光線(xiàn)對(duì)交點(diǎn)偏離主光線(xiàn)的程度,折射后的成像光束與主光束OBY’失去了對(duì)稱(chēng)性,,在折射前主光線(xiàn)是光束的軸線(xiàn)，折射后主光線(xiàn)就不再是光束軸線(xiàn),不同孔徑的光

6、線(xiàn)在像平面上形成半徑不同的相互錯(cuò)開(kāi)的圓斑,距離主光線(xiàn)向點(diǎn)越遠(yuǎn)，形成的圓斑直徑越大,,這些圓斑相互疊加的結(jié)果就形成了帶有彗星形狀的光斑,光斑的頭部（尖端）較亮，至尾部亮度逐漸減弱，稱(chēng)為彗星像差，簡(jiǎn)稱(chēng)彗差,彗差的形狀有兩種：,彗星像斑的尖端指向視場(chǎng)中心的稱(chēng)為正彗差,彗星像斑的尖端指向視場(chǎng)邊緣的稱(chēng)為負(fù)彗差,由于彗差沒(méi)有對(duì)稱(chēng)軸只能垂直度量，所以它是垂軸像差的一種,彗差對(duì)成像的影響：,像的清晰度，使成像的質(zhì)量降低,彗差對(duì)于大孔徑系統(tǒng)和望遠(yuǎn)系統(tǒng)影響

7、較大,彗差的大小與光束寬度、物體的大小、光闌位置、光組內(nèi)部結(jié)構(gòu)（折射率、曲率、孔徑）有關(guān),對(duì)于某些小視場(chǎng)大孔徑的系統(tǒng)（如顯微鏡），常用“正弦差”來(lái)描述小視場(chǎng)的彗差特性。,正弦差等于彗差與像高的比值，用符號(hào)SC’表示,,,3、像散,軸外點(diǎn)細(xì)光束成像，將會(huì)產(chǎn)生像散和場(chǎng)曲它們是互相關(guān)聯(lián)的像差,軸外物點(diǎn)用光束成像時(shí)形成兩條相互垂直且相隔一定距離的短線(xiàn)像的一種非對(duì)稱(chēng)性像差被稱(chēng)為像散,,這兩條短線(xiàn)不相交但相互垂直且隔一定距離,兩條短線(xiàn)間沿光軸方

8、向的距離即表示像散的大小,用符號(hào)Xts’表示 Xts’=Xt’-Xs’,如果軸外物點(diǎn)是“十”字形圖案,Bt’ 與Bs’ 是B點(diǎn)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)形成的子午像點(diǎn)與弧矢像點(diǎn)，沿光軸之間的距離Bt’ Bs’ 是光學(xué)系統(tǒng)的像散,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的子午像點(diǎn)比弧矢像點(diǎn)更遠(yuǎn)離高斯像面，即lt’<ls’，像散Xts’為負(fù)值，反之，像散為正值,像散是物點(diǎn)遠(yuǎn)離光軸時(shí)的像差，且隨視場(chǎng)的增大而迅速增大,4、場(chǎng)曲,場(chǎng)曲是像場(chǎng)彎曲的簡(jiǎn)稱(chēng)。,場(chǎng)曲是物平面形成曲面

9、像的一種像差,若光學(xué)系統(tǒng)存在像散，則實(shí)際像面還受像散的影響而形成子午像面和弧矢像面,場(chǎng)曲需要以子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲來(lái)表征,（1）子午場(chǎng)曲,用細(xì)光束子午場(chǎng)曲和寬光束子午場(chǎng)曲來(lái)度量,本文來(lái)自一生范文網(wǎng) http://www.onesheng.cn，更多優(yōu)秀范文模板請(qǐng)?jiān)L問(wèn)http://www.onesheng.cn,子午細(xì)光束焦點(diǎn)相對(duì)于理想像面的偏離稱(chēng)為細(xì)光束子午場(chǎng)曲，用符號(hào)xt’表示,子午寬光束焦點(diǎn)相對(duì)于理想像面的偏離稱(chēng)為寬光束子午

10、場(chǎng)曲，用符號(hào)XT’表示,細(xì)光束子午場(chǎng)曲與寬光束子午場(chǎng)曲之差為軸外點(diǎn)子午球差,（2）弧矢場(chǎng)曲,用細(xì)光束弧矢場(chǎng)曲和寬光束弧矢場(chǎng)曲來(lái)度量,弧矢細(xì)光束焦點(diǎn)相對(duì)于理想像面的偏離稱(chēng)為細(xì)光束弧矢場(chǎng)曲，用符號(hào)xs’表示,弧矢寬光束焦點(diǎn)相對(duì)于理想像面的偏離稱(chēng)為寬光束弧矢場(chǎng)曲，用符號(hào)XS’表示,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)不存在像散（即子午像與弧矢像重合）時(shí)，垂直于光軸的一個(gè)物平面經(jīng)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)后所得到的像面也不一定于理想像面重合,細(xì)光束弧矢場(chǎng)曲與寬光束弧矢場(chǎng)曲之差為軸

11、外點(diǎn)弧矢球差,就形成一個(gè)曲面（純場(chǎng)曲）,像散和場(chǎng)曲既有區(qū)別又有聯(lián)系,※有像散必然存在場(chǎng)曲，但場(chǎng)曲存在是不一定有像散,光學(xué)系統(tǒng)存在場(chǎng)曲時(shí)，不能使一個(gè)較大的平面物體上的各點(diǎn)同時(shí)在同一像面上成清晰像,若按視場(chǎng)中心調(diào)焦，中心清晰，邊緣則模糊,若按視場(chǎng)邊緣調(diào)焦，邊緣清晰，中心則模糊,5、畸變,畸變是垂軸（橫向）放大率隨視場(chǎng)的增大而變化，所引起一種失去物像相似的像差,畸變的存在使軸外直線(xiàn)成為曲線(xiàn)像,枕形畸變（正畸變）：垂軸放大率隨視場(chǎng)角的增大而增大

12、的畸變,桶形畸變（負(fù)畸變）：垂軸放大率隨視場(chǎng)角的增大而減小的畸變,視場(chǎng)的畸變用符號(hào)q表示,式中,實(shí)際放大率可以用實(shí)際主光線(xiàn)與高斯像面的交點(diǎn)高度yz’與物高y之比表示,y’為理想像高,稱(chēng)為相對(duì)畸變,光學(xué)系統(tǒng)的線(xiàn)畸變,必須注意：,1、畸變與其它像差不同，它僅由主光線(xiàn)的光路決定,2、畸變的存在僅引起像的變形，但不影響成像的清晰度,有些場(chǎng)合，如果畸變的數(shù)值很小，是可以允許的,但有些場(chǎng)合，畸變是非常有害的,如：計(jì)量?jī)x器中的投影物鏡、航空測(cè)量物鏡等

13、（影響其測(cè)量精度）,結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)的光學(xué)系統(tǒng)，以-1倍的放大率成像，所有垂軸像差都能自動(dòng)消除,畸變是一種垂軸向差，也能消除,單個(gè)薄透鏡或薄透鏡組的主面與孔徑光闌重合時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生畸變,因?yàn)橹鞴饩€(xiàn)通過(guò)透鏡的主點(diǎn)并沿理想方向出射的原因,當(dāng)光闌位于單透鏡組之前或之后即產(chǎn)生畸變，符號(hào)相反,表明垂軸像差與光闌位置的依賴(lài)關(guān)系,正畸變,負(fù)畸變,討論：細(xì)光束成像能否獲得白光的清晰像？,用白光成像的光學(xué)系統(tǒng)都必須校正位置色差,孔徑不同，白光將會(huì)有不同的位

14、置色差,6、色差,色差分為：位置色差和倍率色差,（1）位置色差（軸向色差、縱向色差）,白光是由各種不同波長(zhǎng)的單色光所組成的,復(fù)色光成像時(shí)，由于不同色光而引起的像差稱(chēng)為色差,白色光中波長(zhǎng)愈短折射率愈大,本文來(lái)自一生范文網(wǎng) http://www.onesheng.cn，更多優(yōu)秀范文模板請(qǐng)?jiān)L問(wèn)http://www.onesheng.cn,由薄透鏡的焦距公式可知，同一薄透鏡對(duì)不同色光有不同的焦距,一定物距l(xiāng)成像時(shí)，因各色光的焦距不同所

15、得到的像距l(xiāng)’也不同,按色光的波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)，其相應(yīng)的像點(diǎn)離透鏡有近到遠(yuǎn)地排列在光軸上，這種現(xiàn)象稱(chēng)為位置色差,位置色差定義為：,稱(chēng)為色差校正不足,稱(chēng)為色差校正過(guò)渡,若AF’和AC’重合，則,稱(chēng)為光學(xué)系統(tǒng)對(duì)F光（蘭）和C光（紅）消色差,消色差系統(tǒng)是指對(duì)兩種色光消軸向（位置）色差的系統(tǒng),位置色差不同于球差，它在近軸區(qū)就產(chǎn)生,細(xì)光束成像也不能獲得白光的清晰像,因?yàn)槲恢蒙顣?huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量（可能比球差嚴(yán)重）,因此用白光成像的光學(xué)系統(tǒng)都必須校正位

16、置色差,孔徑不同，白光將會(huì)有不同的位置色差,位置色差的性質(zhì)類(lèi)似于球差,光學(xué)系統(tǒng)只能對(duì)一個(gè)孔徑的光線(xiàn)進(jìn)行校正色差,一般情況下對(duì)0.7孔徑的光線(xiàn)校正位置色差,隨著接收器的不同，應(yīng)取接近接收器有效波段邊緣的波長(zhǎng)進(jìn)行校色差,（2）倍率色差（垂軸色差）,光學(xué)材料對(duì)不同色光的折射率不同，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同色光就有不同的焦距,不同色光的焦距不等時(shí)，其放大率也不等,就有不同的像高，這就是倍率色差,B,B,A,A,BF’,BD’,BC’,BF’,BD