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    第五章光学系统成像质量评价.ppt

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    第五章光学系统成像质量评价.ppt

    第五章 光学系统成像质量评价,许剑QQ:381203482Phone:138260419412015年秋,第五章 光学系统成像质量评价,几何像差和点列图球差;慧差;像散;像面弯曲;畸变;色差;点列图。,几何像差和点列图,对光学成像的要求:光学特性:如焦距,孔径,视场,放大率。成像质量:像清晰,物像相似,变形小。之前从理想光学出发讨论问题,引入近轴区的概念,但与实际成像肯定有差别,如何衡量?几何像差和点列图!用近轴光路,高斯公式,牛顿公式计算的是理想像;用实际光线光路计算的才是真实像。两者的差别即为对像差的量度。,球差,先从最简单的情况出发,什么才是最简单?具有圆形入射光瞳,光源在轴上,所发的是单色光。轴向球差:,垂轴球差:球差的产生原因?孔径角越大球差越大!球差必须校正,如正负透镜组合。边光球差:校正了边缘光线的叫消球差系统。,慧差,如果物点不在光轴上?慧差:轴外物点由视场和孔径的大小引起的像差。子午面:由轴外物点发出的主光线与光轴决定的平面;弧矢面:通过主光线并与子午面垂直的平面。为什么要区分两个面?因为物点不再光轴上,对称性给破坏,两者的性质有区别。,慧差,子午慧差:子午面上通过入瞳边缘的对称光线折射后的交点到主光线的距离。蓝色为子午光线,红色为主光线。,慧差,弧矢慧差:弧矢面上通过入瞳边缘的对称光线折射后的交点到主光线的距离。绿色为弧矢光线,红色为主光线。两种慧差都和物点与光轴处在同一平面。,慧差,产生慧差的原因?由于视场和孔径的影响使折射后的光束失去对称性而产生。大视场系统而言,彗差必须校正。彗差与光阑的位置有关,其大小、正负还与透镜的形状、系统的结构形式有关,故可采用对称式结构形式可消除彗差。,像散,假如孔径无限小,只允许主光线通过,慧差不存在。此时子午光线的交点T和弧矢光线的交点S,两点重合不?,像散,假如孔径无限小,只允许主光线通过,慧差不存在。此时子午光线的交点T和弧矢光线的交点S,两点重合不?不重合,所以产生像散!为什么不重合?,像散,假如孔径无限小,只允许主光线通过,慧差不存在。此时子午光线的交点T和弧矢光线的交点S,两点重合不?不重合,所以产生像散!为什么不重合?光学元件(球面)对光束中不同光线折射有不同。入射球面通过折射,子午面和弧矢面各处的曲率发生变化。结果出射光波变成非球面波。,像面弯曲,不仅物的位置能产生像差,球面光学系统本身会产生像差吗?像面弯曲!子午像面:离光轴距离不同的轴外物点的子午像点构成的曲面;弧矢像面:离光轴距离不同的轴外物点的弧矢像点构成的曲面;,像面弯曲,假设AB和折射球面同心,球心处有一无限小光阑。即B的主光线BB可以看成是虚拟的光轴。即成像没有球差、慧差和像散。但BB1和BB1依然有像差,即为像面弯曲。,像面弯曲,如何刻画像面弯曲?把像面弯曲投影到光轴:子午场曲:弧矢场曲:影响?轴外像点的清晰程度。大视场系统必须校正场曲。,畸变,以上几种像差都不分是否近轴区的,有没有因非近轴区而引起的像差?在非近轴区,垂直放大率的改变使得图像产生畸变:如B的理想像为B,实际像为Bz,容易看出,离光轴越远,两者差别越大,结果引起垂直放大率的改变。畸变的原因?主光线通过光学系统时 存在球差。,畸变,1,实际放大率与理想放大率之差与理想放大率之比;2,主光线和高斯像面交点高度与理想像高之差。(b)枕形畸变(正):垂轴放大率随物点离开主轴距离而增大;(c)桶形畸变(负):垂轴放大率随物点离开主轴距离而减小。,色差,以上都只考虑了单色光的情况,如光瞳、视场大小,是否轴外物点,球面系统性质等等。如果是非单色光呢?色差:各种色光之间成像位置和成像大小的差异。原因?光学材料的折射率随光的波长而变化,当复合光通过光具组后,将得到一系列与各色光对应的不重合的像点。,色差,位置色差:轴上物点发出不同颜色的光在轴上像点的位置之差。倍率色差:轴外物点发出不同颜色的光在像平面像高之差。不同的光色差不同,计算或校正时怎么选择?对于目视光学系统,选可见光波段边缘的蓝光(F光)和红光(C光)来计算色差,选人眼敏感的黄光(D光)来计算单色像差。,色差,以上说到的各种像差各不相同,怎样在设计阶段就能对总体的像差做出评价?点列图:一点发出的许多光线经光学系统后,在像面上形成一个散布一定范围的弥散图形。点列图中的点近似代表点像的能量分布,所以可以衡量光学系统成像的优劣。,

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