《工程光学教学课件》像差理论.ppt
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1、Applied Optics,像差理论,Applied Optics,像差的产生原因,近轴光线,像差:实际像与理想像之间的差异,3,像差的大小反映了光学系统质量的优劣,几何像差主要有七种:,单色光像差有五种:球差彗差(正弦差)像散场曲畸变,复色光像差有两种:位置色差(轴向色差)倍率色差(垂轴色差),一、几何像差,Applied Optics,在实际光学系统中,各种像差是同时存在的。,这些像差影响光学系统成像的清晰度、相似性和色彩逼真度等,降低了成像质量。,1、球差:,球面像差的简称(轴上点),Applied Optics,对应孔径角Umax入射光线的高度hmax被称为全孔径(边光球差),若h/
2、hmax=0.7,则称为0.7孔径或0.7带光(带光球差),对应孔径角U入射光线的高度h,Applied Optics,球差是轴上点唯一的单色像差,可在沿轴方向和垂轴方向来度量分别称为轴向球差L和垂轴球差。,垂轴球差是过近轴光线像点A的垂轴平面内度量的球差。用符号T 表示,它表示由轴向球差引起的弥散斑的半径,T=L tanU,Applied Optics,对于单透镜来说,U越大则球差值越大,出射波面偏离球面波之差,Applied Optics,单透镜自身不能校正球差,Applied Optics,单正透镜会产生负值球差,也被称为球差校正不足或欠校正,单负透镜会产生正值球差,也被称为球差校正过头
3、或过校正,如果将正负透镜组合起来,能否使球差得到校正?,这种组合光组被称为消球差光组,Applied Optics,光学系统中对某一给定孔径的光线达到L=0的系统称为消球差系统,单透镜的球差与焦距、相对孔径、透镜的形状及折射率有关。,对于给定孔径焦距和折射率的透镜,通过改变其形状可使球差达到最小。,Applied Optics,大孔径产生的球差,Applied Optics,加发散透镜消除球差,Applied Optics,球差,Applied Optics,2、彗差(轴外点宽光束),了解成像光束光线的全貌:子午平面和弧矢平面,由轴外物点和光轴所确定的平面称为子午平面,子午平面内的光束称子午光
4、束,过主光线且与子午平面垂直的平面称为弧矢平面,弧矢平面内的光束称弧矢光束,Applied Optics,子午弧矢光束结构,Applied Optics,子午弧矢光束结构(续),Applied Optics,子午弧矢光束结构(续),Applied Optics,子午弧矢光束结构(续),Applied Optics,子午弧矢光束结构(续),Applied Optics,子午弧矢光束结构(续),Applied Optics,彗差是轴外物点发出宽光束通过光学系统后,并不会聚一点,相对于主光线而是呈彗星状图形的一种失对称的像差,彗差通常用子午面上和弧矢面上对称于主光线的各对光线,经系统后的交点相对于主
5、光线的偏离来度,分别称为子午彗差和弧矢彗差,Applied Optics,子午彗差指对子午光线度量的彗差,子午光线对交点离开主光线的垂直距离KT用来表示此光线对交点偏离主光线的程度,Applied Optics,弧矢彗差指对弧矢光线度量的彗差,弧矢光线对交点离开主光线的垂直距离Ks用来表示此光线对交点偏离主光线的程度,Applied Optics,折射后的成像光束与主光束OBy失去了对称性,在折射前主光线是光束的轴线,折射后主光线就不再是光束轴线,不同孔径的光线在像平面上形成半径不同的相互错开的圆斑,Applied Optics,距离主光线向点越远,形成的圆斑直径越大,这些圆斑相互叠加的结果就
6、形成了带有彗星形状的光斑,光斑的头部(尖端)较亮,至尾部亮度逐渐减弱,称为彗星像差,简称彗差,Applied Optics,Applied Optics,彗差的形状有两种:,彗星像斑的尖端指向视场中心的称为正彗差KT0,彗星像斑的尖端指向视场边缘的称为负彗差 KT0,由于彗差没有对称轴只能垂直度量,所以它是垂轴像差的一种,彗差对成像的影响:,像的清晰度,使成像的质量降低,Applied Optics,彗差对于大孔径系统和望远系统影响较大,彗差的大小与光束宽度、物体的大小、光阑位置、光组内部结构(折射率、曲率、孔径)有关,对于某些小视场大孔径的系统(如显微镜),常用“正弦差”来描述小视场的彗差特
7、性。,正弦差等于彗差与像高的比值,用符号SC表示,Applied Optics,若光学系统存在像散,则实际像面还受像散的影响而形成子午像面和弧矢像面,场曲需要以子午场曲和弧矢场曲来表征,3、场曲(轴外点细光束),场曲是像场弯曲的简称,场曲是物平面形成曲面像的一种像差,轴外点细光束成像,将会产生像散和场曲,它们是互相关联的像差。,Applied Optics,子午细光束焦点相对于理想像面的偏离称为细光束子午场曲,用符号xt表示,(1)子午场曲,Applied Optics,弧矢细光束焦点相对于理想像面的偏离称为细光束弧矢场曲,用符号xs表示,(2)弧矢场曲,Applied Optics,4、像散
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