光学系统的像差.ppt

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。1.像差概念的像差概念的导导出出 实际实际光学系光学系统统中中,存在着存在着远轴远轴区区产产生的生的实实际际像与像与近近轴轴区区产产生的生的理想像之理想像之间间的偏离的偏离。此。此时时,从物体上任一点从物体上任一点发发出的光束通出的光束通过过光学系光学系统统后不能会聚后不能会聚为为一点一点,而形成一弥散斑而形成一弥散斑,使使像像不不能能严严格地表格地表现现出原物体形状出原物体形状,这这就是就是像差像差。2.实际光学系统中轴上点的成像3.单单色像差色像差 n球差球差轴轴上点上点宽宽光束像差光束像差 n彗差彗差轴轴外点外点宽宽光束像差光束像差 n像散像散轴轴外点外点细细光束像差光束像差n像面弯曲（像面弯曲（简简称称场场曲）曲）n畸畸变变 4.球球 差差n轴轴上物点以上物点以宽宽光束成像光束成像时产时产生的像差。生的像差。n不同孔径角的光不同孔径角的光线线所成的像点相所成的像点相对对于理想于理想像点的位置偏离。像点的位置偏离。n由于此球差是沿光由于此球差是沿光轴轴方向度量的，也称方向度量的，也称为为轴轴向球差向球差 5.轴轴上物点的上物点的单单色像差色像差球差球差 此此处处光光束截面最束截面最小小理想像面位置理想像面位置6.正透正透镜镜球差球差图图示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，其半径称径称为为垂垂轴轴球差球差7.负负透透镜镜球差球差图图示示理想像面位置理想像面位置 L-l-L-lA-U-U-T8.球差球差轴轴上物点上物点发发出的出的宽宽光束光束经经薄透薄透镜镜后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会聚透镜镜发发散透散透镜镜可可选选取不同曲率的透取不同曲率的透镜镜或复合透或复合透镜镜消球差消球差9.10.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与透与透镜镜形状有关形状有关n与焦距有关，焦距越与焦距有关，焦距越长长，球差越小，球差越小11.轴轴外像差外像差 n彗差彗差轴轴外点外点宽宽光束像差光束像差 n像散像散 轴轴外点外点细细光束像差光束像差 n像面弯曲（像面弯曲（简简称称场场曲）曲）n畸畸变变 12.慧差P慧尾形的弥散像慧尾形的弥散像13.子午面子午面由由轴轴外物点外物点B和光和光轴组轴组成的成的对对称面称面入瞳入瞳Bz14.弧矢面弧矢面通通过过主光主光线线和子午面垂直的面和子午面垂直的面 主光主光线线：由：由轴轴外物点外物点B发发出并通出并通过过入瞳中心的光入瞳中心的光线线入瞳入瞳Bz15.16.子午彗差：子午彗差：子午面上、下光子午面上、下光线线的交点的交点BT到主光到主光线线在在垂直光垂直光轴轴方向的偏离，称方向的偏离，称为为子午彗差子午彗差，用符号，用符号KT表表示。示。Ba BzBbabzBA入瞳入瞳KT C17.弧矢彗差：弧矢彗差：弧矢面上前、后光弧矢面上前、后光线线的交点的交点BS到主到主光光线线在垂直光在垂直光轴轴方向的偏离，称方向的偏离，称为为弧矢彗差弧矢彗差，用，用符号符号KS表示。表示。18.19.畸畸变变的的产产生生 对对于一般于一般实际实际光学系光学系统统来来说说，只有在近，只有在近轴轴区垂区垂轴轴放大率才是常数。当放大率才是常数。当视场视场增大增大时时，像的垂像的垂轴轴放大率便会随放大率便会随视场变视场变化而异，化而异，这这将将会使像相会使像相对对于原物失去相似性。于原物失去相似性。这这种使像种使像变变形的成像缺陷就称形的成像缺陷就称为为畸畸变变。20.n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，负畸变则成桶形。n畸变只引起变形，不影响像的清晰度21.桶形畸桶形畸变变枕形畸枕形畸变变像失真，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（是由于垂轴轴放大率不同）放大率不同）.畸畸变变光学系光学系统对统对共共轭轭面上不同高度的面上不同高度的物体垂物体垂轴轴放大率不同放大率不同产产生畸生畸变变.正畸正畸变变负负畸畸变变物物像像22.畸畸变变使像使像变变形形23.五、色像差五、色像差 用白光用白光进进行成像行成像时时，除了每种，除了每种单单色光仍会色光仍会产产生五种生五种单单色像差外，色像差外，还还会因不同色光有不同折射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率造成的色散，而使不同的色光有不同的传传播光播光路，从而呈路，从而呈现现出因出因不同色光的光路差不同色光的光路差别别而引起的而引起的像差像差，称之，称之为为色像差色像差（简简称称色差色差）。色像差因性）。色像差因性质质不同而分不同而分为为位置色差位置色差和和倍率色差倍率色差两种。两种。24.色差色差:位置（位置（轴轴向）色差向）色差倍率（横向）色差倍率（横向）色差25.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。26.正透正透镜镜位置色差位置色差图图示示白光白光CFLF LC-LFC AAF AC27.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 P28.负负透透镜镜位置色差位置色差图图示示 LFC-LC-LF-LA29.n因色差的存在，因色差的存在，轴轴上点成像是一个弥散斑上点成像是一个弥散斑，在，在a点和在点和在c点看到的弥散斑点看到的弥散斑颜颜色有何不同色有何不同？30.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.近近轴轴物近物近轴轴光光线线成像的色差成像的色差31.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。32.影响位置色差的主要因素：影响位置色差的主要因素：n随孔径角的增大而增大随孔径角的增大而增大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n与透与透镜镜的焦距有关的焦距有关33.上排上排为为位置色差，下排位置色差，下排为为球差，两者均球差，两者均为轴为轴上像差上像差34.35.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）的主光光线线在高斯像面上的交点高度之差来度量，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。36.倍率色差倍率色差图图示示入瞳入瞳CFYF YC-YFC ABF BCB37.n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。38.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。39.光学光学设计设计的意的意义义 尽管光学系尽管光学系统统有一系列像差，而且一般有一系列像差，而且一般总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得各种像差的数值值小于一个容小于一个容许许的限度的限度，人眼，人眼和其它光接收器和其它光接收器还还是是觉觉察或反映不出其成像的察或反映不出其成像的不完善性。不完善性。这样这样的光学系的光学系统统从从实实用意用意义义来来说说，可可认为认为是理想的。是理想的。40.41.影响影响倍率倍率色差的主要因素：色差的主要因素：n随随视场视场的增大而增大；的增大而增大；n与光与光阑阑位置有关；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42.轴轴外物点外物点发发出的同心出的同心光束，由于此斜向光束，由于此斜向细细光束的子午面和弧矢光束的子午面和弧矢面相面相对对折射球面的位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矢面在球面上的截线线曲率不同。使水平方曲率不同。使水平方向和向和竖竖直方向的光直方向的光线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43.（2 2）像散（）像散（轴轴外点外点细细光束）光束）透镜光光轴轴子午子午焦焦线线弧矢弧矢焦焦线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44.像散像散图图示示45.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46.lslt最小弥散圆主光线子午焦线弧矢焦线从子午焦从子午焦线线开始先出开始先出现现长轴长轴与子午面垂直的与子午面垂直的椭椭圆圆，至中，至中间变为间变为最小弥最小弥散散圆圆，后再，后再变变成成长轴长轴在在子午面的子午面的椭圆椭圆，后再聚，后再聚焦焦为为弧矢焦弧矢焦线线。47.卫卫生部生部视视光学研究中心光学研究中心 美国博士美国博士伦视伦视力保健公司力保健公司前后焦前后焦线线之之间为间为一系列大小不等的一系列大小不等的椭圆椭圆形光学切面，形光学切面，其中最小的光学切面其中最小的光学切面为为一一圆圆形，称最小弥散形，称最小弥散圆圆M轴轴子午子午线线水平焦水平焦线线垂直焦垂直焦线线最小弥散最小弥散环环 度数子午度数子午线线物体物体ABDCSturm间间隙隙1-D5748.49.50.n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51.像散的影响因素像散的影响因素n随随视场视场增大而增大增大而增大n与光与光阑阑位置有关位置有关n与系与系统统焦距及透焦距及透镜镜表面曲率有关表面曲率有关n此外，与光束大小也有关此外，与光束大小也有关52.像面弯曲（像面弯曲（简简称称场场曲）曲）53.54.场场曲曲 光学系光学系统统如存在像散，一个物面将形成如存在像散，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弯曲像面与高斯像面的偏离分别别称称为为子午子午场场曲曲和和弧矢弧矢场场曲曲，以符号，以符号 xt和和xs表示之。表示之。55.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。56.场场曲的危害曲的危害57.58.Optics of astigmatic Lenses59.场场曲的影响因素曲的影响因素n随随视场视场增大而增大增大而增大n与光与光阑阑位置有关位置有关n与球面系与球面系统结统结构有关构有关n此外，与光束大小也有关此外，与光束大小也有关60.