工程光学与技术6

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1、第六章光学系统的成像质量评价实际光学系统都有一定大小的相对孔径和视场，远远超出近轴区所限定的范围。§6-1概述与近轴区成像比较必然在成像位置和像的大小方面存在一定的差异，被称为像差。指在光学系统中由透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差。像差的大小反映了光学系统质量的优劣几何像差主要有七种：单色光像差有五种：球差彗差(正弦差)像散场曲畸变复色光像差有两种：轴向像差(位置色差)垂轴像差(倍率色差)在实际光学系统中，各种像差是同时存在的。这些像差影响光学系统成像的清晰度、相似性

2、和色彩逼真度等，降低了成像质量。1、球差：球面像差的简称A-Umax-UhmaxhA’L’δL’△y’l’对应孔径角Umax入射光线的高度hmax被称为全孔径（边光球差）若h/hmax=0.7，则称为0.7孔径或0.7带光（带光球差）对应孔径角U入射光线的高度h球差是轴上点唯一的单色像差可在沿轴方向和垂轴方向来度量分别称为轴向球差和垂轴球差。轴向球差又称为纵向球差它是沿光轴方向度量的球差，用符号δL’表示垂轴球差是过近轴光线像点A’的垂轴平面内度量的球差。用符号δT’表示它表示由轴向球差引起的弥散圆的半

3、径δT’=δL’tanU’对于单透镜来说，U越大则球差值越大单透镜自身不能校正球差入瞳像面abZYa’YZ’Yb’单正透镜会产生负值球差，也被称为球差校正不足或欠校正单负透镜会产生正值球差，也被称为球差校正过头或过校正如果将正负透镜组合起来，能否使球差得到校正？这种组合光组被称为消球差光组光学系统中对某一给定孔径的光线达到δL’=0的系统称为消球差系统h/hmaxδL’00.20.30.50.70.85单透镜的球差与焦距、相对孔径、透镜的形状及折射率有关。对于给定孔径焦距和折射率的透镜，通过改变其形状可

4、使球差达到最小。大孔径产生的球差加发散透镜消除球差球差球差2、彗差了解成像光束光线的全貌：子午平面和弧矢平面由轴外物点和光轴所确定的平面称为子午平面；子午平面内的光束称子午光束。过主光线且与子午平面垂直的平面称为弧矢平面；弧矢平面内的光束称弧矢光束。彗差是轴外物点发出宽光束通过光学系统后，并不会聚一点，相对于主光线而是呈彗星状图形的一种失对称的像差。彗差通常用子午面上和弧矢面上对称于主光线的各对光线，经系统后的交点相对于主光线的偏离来度量，分别称为子午彗差和弧矢彗差子午彗差指对子午光线度量的彗差子午光线

5、对交点离开主光线的垂直距离KT’用来表示此光线对交点偏离主光线的程度。弧矢彗差指对弧矢光线度量的彗差弧矢光线对交点离开主光线的垂直距离Ks’用来表示此光线对交点偏离主光线的程度。入瞳像面-KT’折射后的成像光束与主光束OBY’失去了对称性ABECODFAy’By’在折射前主光线是光束的轴线，折射后主光线就不再是光束轴线不同孔径的光线在像平面上形成半径不同的相互错开的圆斑距离主光线向点越远，形成的圆斑直径越大ABECODFAy’By’这些圆斑相互叠加的结果就形成了带有彗星形状的光斑。光斑的头部（尖端）较亮

6、，至尾部亮度逐渐减弱，称为彗星像差，简称彗差。彗差的形状有两种：彗星像斑的尖端指向视场中心的称为正彗差。彗星像斑的尖端指向视场边缘的称为负彗差。由于彗差没有对称轴只能垂直度量，所以它是垂轴像差的一种彗差对成像的影响：像的清晰度，使成像的质量降低彗差对于大孔径系统和望远系统影响较大彗差的大小与光束宽度、物体的大小、光阑位置、光组内部结构（折射率、曲率、孔径）有关对于某些小视场大孔径的系统（如显微镜），常用“正弦差”来描述小视场的彗差特性。正弦差等于彗差与像高的比值，用符号SC’表示彗差彗差3、像散轴外点细

7、光束成像，将会产生像散和场曲它们是互相关联的像差轴外物点用光束成像时形成两条相互垂直且相隔一定距离的短线像的一种非对称性像差被称为像散AtsAts由子午光束所形成的像是一条垂直子午面的短线t称为子午焦线由弧矢光束所形成的像是一条垂直弧矢面的短线s称为弧矢焦线Ats这两条短线不相交但相互垂直且隔一定距离两条短线间沿光轴方向的距离即表示像散的大小。用符号Xts’表示Xts’=Xt’-Xs’这种即非对称又不会聚于一点的细光束称为像散光束。入瞳光学系统光屏这两条短线（焦线）光能量最为集中，它们是轴外点的像。如果

8、轴外物点是“十”字形图案Bt’与Bs’是B点通过光学系统形成的子午像点与弧矢像点，沿光轴之间的距离Bt’Bs’是光学系统的像散Bt’Bs’lt’ls’B当光学系统的子午像点比弧矢像点更远离高斯像面，即lt’