《光学系统的像差》PPT课件.ppt

1、,理想成像的要求 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,实际光学系统中,存在着远轴区产生的实际像与近轴区产生的理想像之间的偏离。此时,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,而形成一弥散斑,使像不能严格地表现出原物体形状,这就是像差。,实际光学系统中轴上点的成像,单色像差,球差轴上点宽光束像差 彗差轴外点宽光束像差 像散轴外点细光束像差 像面弯曲（简称场曲） 畸变,球 差,轴上物点以宽光束成像时产生的像差。 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。 由于此球差是沿光轴方向度量的，也称为轴向球差,轴上物点的单色像差球差,此处光束截面最小,理

2、想像面位置,正透镜球差图示,理想像面位置,弥散斑半径,-T,- L,l ,L,- l,A,-U,U,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,负透镜球差图示,理想像面位置,L,- l ,- L,- l,A,-U,-U,-T,球差,轴上物点发出的宽光束经薄透镜后不再交于一点,度量球差大小,会聚透镜,发散透镜,可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：,随物方孔径角的增大而增大 与透镜形状有关 与焦距有关，焦距越长，球差越小,轴外像差,彗差轴外点宽光束像差 像散 轴外点细光束像差 像面弯曲（简称场曲） 畸变,慧差,子午面由轴外物点B和光轴组成的对称面,入瞳,B,z,弧

3、矢面通过主光线和子午面垂直的面 主光线：由轴外物点B发出并通过入瞳中心的光线,入瞳,B,z,子午彗差：子午面上、下光线的交点BT到主光线在垂直光轴方向的偏离，称为子午彗差，用符号KT表示。,Ba,Bz,Bb,a,b,z,B,A,入瞳,KT,C,弧矢彗差：弧矢面上前、后光线的交点BS到主光线在垂直光轴方向的偏离，称为弧矢彗差，用符号KS表示。,畸变的产生,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，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。这种使像变形的成像缺陷就称为畸变。,如光学系统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

4、桶形。 畸变只引起变形，不影响像的清晰度,像失真，但不影响像的清晰度（是由于垂轴放大率不同）.,畸变,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.,正畸变,负畸变,畸变使像变形,五、色像差,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，从而呈现出因不同色光的光路差别而引起的像差，称之为色像差（简称色差）。色像差因性质不同而分为位置色差和倍率色差两种。,色差:,位置（轴向）色差,倍率（横向）色差,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,C,F,LF,LC,-LFC,A,A

5、F,AC,轴上物点发出的大孔径光线不聚焦于一点,负透镜位置色差图示,LFC,-LC,-LF,- L,A,因色差的存在，轴上点成像是一个弥散斑 ，在a点和在c点看到的弥散斑颜色有何不同？,不同波长的光，焦距不同,像的位置不同在1,2,3三截面上,形成的光环半径不同.,近轴物近轴光线成像的色差,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：,随孔径角的增大而增大 与光学材料的折射率和色散率有关 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,倍率色差,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

6、小差异的色差。 它是以两种色光（此即F光和C光）的主光线在高斯像面上的交点高度之差来度量，以符号YFC表示之。,倍率色差图示,入瞳,C,F,YF,YC,-YFC,A,BF,BC,B,倍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。,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,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。但由于人眼和所有其它光能接收器也有一定的敏感缺陷，只要使得各种像差的数值小于一个容许的限

7、度，人眼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，可认为是理想的。,影响倍率色差的主要因素：,随视场的增大而增大； 与光阑位置有关； 与光学材料的折射率和色散率有关,轴外物点发出的同心光束，由于此斜向细光束的子午面和弧矢面相对折射球面的位置不同，使子午和弧矢面在球面上的截线曲率不同。使水平方向和竖直方向的光线的聚焦点在不同平面上,像散和场曲,（2）像散（轴外点细光束）,透镜,光轴,物点,物面,像面,像散图示,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,ls,lt,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

8、长轴与子午面垂直的椭圆，至中间变为最小弥散圆，后再变成长轴在子午面的椭圆，后再聚焦为弧矢焦线。,卫生部视光学研究中心 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，其中最小的光学切面为一圆形，称最小弥散圆,M轴子午线,水平焦线,垂直焦线,最小弥散环,度数子午线,物体,A,B,D,C,Sturm间隙,1-D57,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,随视场增大而增大 与光阑位置有关 与系统焦距及透镜表面曲率有关 此外，与光束大小也有关,像面弯曲（简称场曲）,场曲,光学系统如存在像散，一个物面将形成两个像面（即子午像面和弧矢像面），两弯曲像面与高斯像面的偏离分别称为子午场曲和弧矢场曲，以符号 xt和xs表示之。,球面光学系统存在场曲是由球面本身的固有特性决