第5讲 波像差概述(精选PPT)

波像差概述 南京理工大学陈磊2010年03月 1 像差概述 1用光线表示的像差 几何像差1 1像差种类1 2各种像差简介1 3初级像差多项式2用波面表示的像差 波像差2 1赛得多项式2 2泽尼克多项式2 3泽尼克多项式与赛得多项式的关系 2 参考文献 1胡玉禧 安连生 应用光学 中国科技大学出版社 20002J C Wyant BasicWavefrontAberrationTheoryforOpticalMetrology APPLIEDOPTICSANDOPTICALENGINEERING VOL Xl3W T 威尔福特 对称光学系统的像差 科学出版社 1982 74久保田广 波动光学 科学出版社 1983 11 21 225潘君骅 陈进榜 计量测试技术手册第10卷光学 中国计量出版社 1997 第13章 3 1 1几何像差 像差 实际光线产生的像相对于理想像的偏离 像差的种类 单色像差 球差 彗差 像散 场曲 畸变 色差 位置色差 倍率色差 4 用几何光线描述点列图 入瞳 像面 5 像差的产生原因 近轴光线 6 1 2各种像差简介 初级像差单色像差 球差 彗差 像散 场曲 畸变色差 位置色差 倍率色差 7 1 2 1球差 轴上点 与孔径有关 弥散圆的大小 高斯像面 8 球差 9 最小弥散圆 z位于近轴像点距边缘像点3 4处 10 1 2 2子午面与弧矢面 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 入瞳 11 子午面与弧矢面 12 子午彗差 上下光线经球面折射 失去了对主光线的对称性 彗差是与视场与孔径相关的垂轴像差 轴外点宽光束 13 弧矢彗差 弧矢面内对称于主光线的一对光线经球面折射之后仍然对称与子午面 且相交与子午面 14 彗差 15 2 3像散 缩小光瞳 无限细轴外光束 没有球差 彗差子午光束经球面折射汇聚与主光线上的子午像点弧矢光束经球面折射汇聚与主光线上的弧矢像点两像点不重合 称为像散 16 像散 17 像散 主光线 18 子午像散与弧矢像散 轴上点 光线与球面同时接触于a0 b0 c0 d0未失去对称性轴外点 对于子午面内光线 a z c 对于弧矢光线 z线接触球面 b d同时接触球面 折射面 入瞳 注意 主光线 19 像散波面 微分几何理论可以解释 20 1 2 4场曲 像散与视场有关 子午场曲弧矢场曲 21 匹兹阀面 无限小光阑位于折射球面球心 不存在球差 彗差 像散 球面AB成像于A B 平面AB1成像于A B1 22 1 2 5畸变 垂轴放大率与视场有关 并非常数 枕形畸变 桶形畸变 23 畸变产生原因 畸变由主光线的球差产生 z为轴上点 其近轴像点位于z 实际像点位于z 24 1 2 6色差 25 1 3初级像差多项式 26 小结 几何像差 单色像差 球差 彗差 像散 场曲 畸变 色差 位置色差 倍率色差 27 2波像差 2 1波像差2 2像差多项式 28 2 1波像差 什么是波像差 历史星点像像差多项式Seidel多项式Zernike多项式 29 Whatisanaberration Anaberrationdescribesthedeviationofrealsystemsfromaperfectsystem Aperfectsystemisdiffractionlimitedorparaxial D 2 44 F 30 AiryDisk 31 WavefrontError Wavefronterror orOPD ismeasuredrelativetoaperfectwavefront W XP YP WA XP YP WR XP YP WA AberratedwavefrontWR Referencewavefront 32 History ChristianHuygens 1678 wavetheoryLeonardEuler 1746 wavetheoryofrefractionanddispersionThomasYoung 1801 wavenatureoflightandinterferenceprinciplesLudwigvonSeidel 1857 monochromaticaberrationsSeidel 1888 chromaticaberrationZernike 1934 developedpolynomial 33 星点像 无像差衍射受限系统 34 星点像 球差 35 彗差星点像 36 球差 37 像散 38 波像差 39 理想球波面 轴向与横向离焦 球面方程 40 轴向离焦 接收面并不总在高斯像面 41 横向离焦 球波面方程 总之 42 波像差vs几何像差 归一化 横向 轴向 43 2 2波像差多项式 波像差的一般表示初级像差多项式Seidel多项式Zernike多项式 44 2 2 1波差多项式 直角坐标 与孔径相关 x y 与视场相关 x0 y0 系数a 离焦 倾斜 平移系数b 三阶像差 旋转对称项 45 旋转对称项 46 2 2 2初级像差多项式 47 2 2 3赛得多项式 极坐标 在光瞳上 48 赛得像差 49 球差 与横向像差的关系 轴向离焦 50 球差图形 球差的几何像差 51 球差干涉图 52 球差星点像 53 彗差 54 彗差图形 波像差 55 与几何像差的关系 光瞳面上各点与像面上的对应关系 56 彗差星点像 6 2 5 1 57 像散 58 像散干涉图 波像差 59 像散星点像 横向像差 60 像散现象 61 场曲 62 畸变 与视场的3次方有关即 随视场变化 63 波像差的物理意义 当系统的像差校正到点像是接近完善的Airy图形时 宜用W x y 表示像差的容差 故可用于高质量系统像差的量度 当像差校正要求不高 如接收器的鉴别极限远大于Airy斑时 则横向光线像差更适于像质测量 W x y 建立了几何光学与物理光学这两个领域的基本关系 参36 4 64 波像差与像质评价指标 波差分析Strehl值 中心点亮度 点列图 SpotDiagram 点扩散函数 PSF 星点检验调制传递函数 MTF 65 波差三维分布图 66 Seidel像差分析 67 GeometicEncircledEnergy 68 点列图 69 PSF 70 MTF 71 畸变图形 72 TheZernikepolynomialsareacompletesetoffunctionsthatareorthogonalovertheinterioroftheunitcircle Theywereoriginaldevelopedforuseinphasecontrastmicroscopy buthavefoundapplicationsinastronomy interferometryandophthalmicoptics Theyareusefulfordescribingtheshapeofanaberratedwavefrontinthepupilofanopticalsystem 2 2 4Zernike多项式 73 ZernikePolynomials OrthogonalovertheinterioroftheunitcircleNotorthogonaloveradiscretesetofdatapointswithinaunitcircleThemostimportantZernikesarethefirst8 36OSCZernikes SeidelrelatedtoZernike first8 74 泽尼克多项式 75 ZernikePolynomials 76 不考虑视场 77 ZernikePoly