物理光学与应用光学第六章.ppt

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1、第6章光线的光路计算及像差理论概述光线的光路计算轴上点的球差正弦差和慧差场曲和像散畸变色差像差特征曲线与分析波像差本章重点光学系统像差的基本概念光学系统像差的种类初级单色像差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。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，在几何光学中，我们知道一个物点经单折射球面后不能够完善成像，但若把光线限制在近轴范围内，即：则可认为物点成理想的像点，但若高次项不可忽略，就会出现不完善成像的情况。像差的大小反映了光学系统质量的优劣几何

2、像差主要有七种：单色光像差(光学系统对单色光成像所产生的像差)有五种：球差彗差(正弦差)像散场曲畸变复色光像差(由不同折射率引起的不同波长光线的成像位置和大小也不同)有两种：位置色差(轴向色差)倍率色差(垂轴色差)基于物理光学：波象差(实际波面与理想球面波的偏差)像差校正：在实际光学系统中，各种像差是同时存在的，像差的大小反映了光学系统质量的优劣。这些像差影响光学系统成像的清晰度、相似性和色彩逼真度等，降低了成像质量。完全消除像、色差是不可能的，针对光学系统的不同用途，只要把像、色差降低在某范围内，使光接收器不能分辨，或者说这种差别只要能骗过光接收器，就可以认为是理想的。1、原则单色像差：选择

3、接收器最灵敏的谱线。复色像差：选择接收器能接收的波段范围的两边缘附近的谱线校正。同时接收器的光谱特性也直接受光源和光学系统的材料限制，三者合理匹配。2、目视光学仪器人眼为接收器，波长范围是380~760nm，灵敏波长是λ=555nm。所以，一般选择D光（λ=589.3nm）和e光（λ=546.1nm）校正光学单色像差。用F光（λ=486.1nm）和C光（λ=656.3nm）校正色差。3、普通照相系统照相底片为接收器，胶片对蓝光较灵敏，所以用F光校正单色像差。D光和G’光（λ=434.1nm）校正色差。像差计算的谱线选择像差计算的谱线选择4.天文照相系统对G’光(λ=434.1nm)消单色像差，

4、对h光(λ=404.7nm)和F光(λ=486.1nm)消色差。5.近红外光学系统对C光消单色像差，对d光(λ=587.6nm)和A’光(λ=768.2nm)消色差。6.紫外光学系统对i’光(λ=365.0nm)消单色像差，对λ=257.0nm光和h光(λ=404.7nm)消色差。7.特殊光学系统针对特定波长消单色像差，无需消色差。光线的光路计算已知条件：光学系统的结构参数（r,d,n）物体的位置和大小入瞳的位置和大小要解决的问题：理想像的位置和大小实际像的位置和大小像差轴上点近轴光线轴上点远轴光线轴外点近轴光线轴外点远轴光线光线光路的计算主要有三类：子午面内的光线光路计算沿轴外点主光线的细光

5、束像点的计算子午面外光线或空间光线的计算对于小视场的光学系统，例如望远物镜和显微物镜等，只要求校正与孔径有关的像差，所以只需计算上述第一种光线。对大孔径、大视场的光学系统，如照相物镜等，要求校正所有像差，所以需要计算上述三种光线。子午面内的光线光路计算1.近轴光线的光路计算轴上点近轴光的计算公式：角u对入瞳边缘取值的计算称为第一近轴光线计算.对于有k个面的折射系统，根据过渡公式由初始数据可以确定像方截距和像方孔径角.用小l公式进行光路追迹确定像方截距和像方孔径角.-L1Lz1-U1-Y-Uz1A入瞳近轴光线的光路计算1、近轴光线★近轴条件：光线在主轴附近很小的区域，且与主轴夹角较小（5°）。

6、★实际光线用大写字母，近轴光线用小写字母。——高斯像★近轴细光束所成的完善像。（像距只与物距有关）★高斯像面通过高斯像点且垂直于光轴的平面★物像共轭点——高斯像面如图所示，初始数据为当物体位于无限远时，时，为已知。理想像高为，为第一近轴光求得的高斯像面位置，为出瞳到光学系统最后一面的距离。第二近轴光计算：取发自物面边缘点，并通过入瞳中心的光线。2.远轴光线的光路计算子午平面内的特殊光线22子午面：物点（或主光线，即通过孔径中心的光线）所在并包含光轴的平面。对于轴对称系统的轴上物点，它有无限多个子午面。对于一给定的轴外物点，仅有一个子物面。弧矢面：包含主光线并且垂直于子午面的平面。子午光线弧矢光

7、线物点透镜光轴子午平面弧矢平面主光线沿轴外点主光线细光束的光路计算子午面上子午光束和弧矢面上弧矢光束的计算。轴上点：子午面与弧矢面光线分布一样轴外点：弧矢光线对称于子午面，子午面内光线光束的对称性被破坏。主光线计算举例一望远物镜的焦距f’=100mm，相对口径D/f’=1/5,视场角2ω=6°,其结构参数如下：r/mmd/mmnDνD62.5-43.654.01.516330.00806-124.