1、第五章第五章 光学系统成像质光学系统成像质量评价量评价许剑QQ:381203482Phone:138260419412015年秋第五章第五章 光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价1.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。几何像差和点列图几何像差和点列图l对光学成像的要求:l光学特性:如焦距,孔径,视场,放大率。l成像质量:像清晰,物像相似,变形小。l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?l几何像差和点列图!l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。球差球差l
2、先从最简单的情况出发,什么才是最简单?l具有圆形入射光瞳,光源在轴上,所发的是单色光。l轴向球差:,垂轴球差:l球差的产生原因?l孔径角越大球差越大!l球差必须校正,如正负透镜组合。l边光球差:l校正了边缘光线的叫消球差系统。lLLtanUTT mL慧差慧差l如果物点不在光轴上?l慧差:轴外物点由视场和孔径的大小引起的像差。l子午面:由轴外物点发出的主光线与光轴决定的平面;l弧矢面:通过主光线并与子午面垂直的平面。l为什么要区分两个面?l因为物点不再光轴上,对称性给破坏,两者的性质有区别。慧差慧差l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。l蓝色为子午光线,红色为主光
3、线。)(21zbatYYYK慧差慧差l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。l绿色为弧矢光线,红色为主光线。l两种慧差都和物点与光轴处在同一平面。zssYYK慧差慧差l产生慧差的原因?l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。l大视场系统而言,彗差必须校正。l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。像散像散l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?像散像散l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
4、的交点S,两点重合不?l不重合,所以产生像散!l为什么不重合?像散像散l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?l不重合,所以产生像散!l为什么不重合?l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。像面弯曲像面弯曲l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?l像面弯曲!l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;l 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;像面弯曲像面弯曲l假设AB和折射球面同心,球心处有一无限小光阑。
5、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。像面弯曲像面弯曲l如何刻画像面弯曲?l把像面弯曲投影到光轴:l子午场曲:l弧矢场曲:l影响?l轴外像点的清晰程度。l大视场系统必须校正场曲。llxttllxssststtsllxxx畸变畸变l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?l在非近轴区,垂直放大率的改变使得图像产生畸变:l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。l畸变的原因?l主光线通过光学系统时 存在球差。畸变畸变l1,实际放大率与理想放大率之差与理想
6、放大率之比;l2,主光线和高斯像面交点高度与理想像高之差。l(b)枕形畸变(正):垂轴放大率随物点离开主轴距离而增大;l(c)桶形畸变(负):垂轴放大率随物点离开主轴距离而减小。%100qyYYzz色差色差l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。l如果是非单色光呢?l色差:各种色光之间成像位置和成像大小的差异。l原因?l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。色差色差l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。l倍率色差:轴外物点发出不同颜色的光在像平面像高之差。l不同的光色差不同,计算或校正时怎么选择?l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。2121,LLL2121,YYY色差色差l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?l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。l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。