关于光学系统的分辨率及相关问题.docx

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1、关于光学系统的分辨率及相关问题赵玉春前言：最近，在很多天文网络论坛相关版面上的天体摄影作品是“精华”如潮，但我觉得其中的绝大部分作品并没有达到“精华”的程度。这就是一个评价作品的基本标准的问题，我觉得这个标准应该是一个很专业的标准。在评价用跟踪法拍摄的天文摄影作品中，有一条铁的标准就是真实。比如评价一幅拍摄星云的作品，虽然用不同的拍摄方法或后期处理方法能得到最终不同的效果，但拍摄的真实性是评价的基本依据。所谓拍摄的真实性主要是指在拍摄过程中没有使被拍摄的星云等内容的像有“意外”的变形。由于星云等本身并没有明确的边界，那么检验星云等的像是否真实的基本依据就是检验天空背景上恒星的像是否真实。

2、所谓恒星的像的真实是指恒星的像既圆又小而且边缘锐利，没有任何变形等。这主要与拍摄时的调焦精度、跟踪精度和光学系统的质量有关，对于后者，可以归纳为与光学系统的分辨率相关的问题（由电脑合成处理以后的照片的真实性问题不在此讨论范围之内）。下面我就从理论与实例两个方面讲讲有关光学系统的分辨率以及与天文摄影和目视观测相关的一些问题。*关于理想光学系统的分辨率：在几何光学理论中，我们可以把光看作是“能够传递能量的具有方向性的几何线”。对于一个“理想光学系统”，应该能使一个物点所发出的所有能通过该光学系统的光线重新聚焦于一点，在“理想成像”时，像点是一个“理想几何点”，这个“理想几何点”即没有面积也没

3、有体积。如果成像不“理想”，则形成有一定大小的“体积”，在焦平面上则形成有一定面积的弥散斑，如果弥散斑较大，则主要是由于各种像差造成的。球差属于单色像差，它会使从主光轴上物点发出的各条光线通过光学系统后不交于一点，使点像的边缘模糊。球差的大小一般与透镜的折射率、形状（两表面的曲率半径）以及通光孔径有关。彗差属单色像差，它会使离主光轴较近的轴外物点发出的宽光束通过光学系统后，在像面上不再形成同心光束，而是形成圆心在一条直线上的，按直径大小依次排列的圆形光束的重叠，形成状如彗星（圆头尖尾）的像（尖端离主光轴近的称正彗差，尖端离主光轴远的称负彗差）。彗差与球差常常混在一起，只有当轴上物点的球差

4、已消除时，才能明显地观察到傍轴物点的彗差。彗差的大小与孔径及视场都有关系，且由于消彗差与消球差的条件不一致，两者一般不容易同时消除。像散属于单色像差，光学系统的透镜表面在不同方向上有不同的连续曲率，其子午截面与弧矢截面上的曲率相差最大，离主光轴较远物点发出的光束在通过光学系统后，我们可以把它分解成“极端”的子午光束和弧矢光束。因为子午面内的入射光线比弧矢面的入射光线更为倾斜，透镜对子午面内的光线具有更强的聚光能力，使其焦距更短。因此它们各自汇聚于一点，并不重合。这会使得点像失真的形象更为复杂。像散只与人射光束的倾斜度有关。场曲属于单色像差，它是球面光学系统所固有的像差，使得平面物体反射的

5、光线通过光学系统后，像面变成一弯曲的面。这样，平面物体的中心与边缘的像不能同时聚焦于同一个平直的像面上。对于天文摄影来讲，场曲属于比较严重的像差，因为天空背景上的天体距离我们都是无限远，这对于整个画面来讲，就相当于拍摄平面物体。如果我们的对焦点在视场中心位置，那么边缘特别是四角的恒星会变长（点像的长轴在像场的直径方向上）、变大和变虚。畸变亦属于单色像差，其产生的原因在于入射光线的球差随视场角的变化而改变，因而在一对共轭物像平面上，放大率随视场位置而变化，从而使物体像的形状变形。畸变虽然不影响点像的清晰度，但视场内的点像会是越靠近边缘（特别是“四角”）越大，形象虽类似于前者，但边缘的点像并

6、不虚。位置（轴向）色差和倍率（横向）色差属于复色像差，前者的表现为：轴上一物点发出的复色光（白光）通过光学系统后，由于光学系统对不同波长的光有不同的折射率，各色光不交于光轴上的同一点，这会使得某一像面上的点像的周围形成“色边”；当校正了位置色差的光学系统，轴外物点发出的复色光通过光学系统后只能使其点像的像面重合在一起，但各个单色光的放大率不相同（因为波长不同），因而各具有不同的像高，这种因为放大率的差异而引起的色差称为培率色差。倍率色差会使得点像的某一边或对称的两边形成“色边”，其大小受光阑位置影响。另外，倍率色差经常与彗差混合在一起，形成“色彗差”。实际上，由于光的波动性，即便是没有任

7、何像差的“理想成像”，像点也不是一个几何点，而是形成一个如射击靶子的图形，中心的“靶心”聚集了大部分光的能量，其余的光能量则形成了一圈圈如靶环一样但不等距也不等宽的光环（从中心往外，亮的“靶环”越来越窄，间隔也越来越大）。这是因为电磁波通过光学系统中限制光束口径的孔径光阑（如，天文望远镜中限制光线通过的光阑，或是天文望远镜的镜筒本身）时发生了衍射。在实际的光束聚焦点（像点）附近，用几何光学理论计算的误差较大，因此，必须是用把光看作为