第五章 光学系统成像质量评价

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1、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

2、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

3、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

4、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B’B1’依

5、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

6、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

7、。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。