第六章_像差理论.ppt

第六章像差理论,二、轴上点的球差,三、彗差（正弦差）,四、像散和场曲,五、畸变,一、概述,六、色差,一、概述,1、理想成像的条件,（1）物面上每一个发光点在像方是一个清晰的像点；（物点发出的同心光束在像方仍保持是同心光束）,（2）垂直于光轴的平面上各点的像，必须是在垂直于光轴的同一个平面上；,（3）每个垂直于光轴的像平面内，各像点的放大率相同，从而保持物、像的几何相似性；,（4）像的各部分应保持具有与物同样的彩色。,像差（Aberrations）：实际像与理想像之间的差异现象。,1、理想成像的条件,（1）单色像差（MonochromaticAberrations）,2、几何像差,c.像散；d.像场弯曲；e.畸变,a.球面像差；b.彗形像差；,2、几何像差,产生原因：,（2）色像差（ChromaticAberrations）：,f.位置（轴向）色差g.倍率（垂轴）色差,3、波像差（WaveAberration）,实际波面和理想球面的偏差。,产生原因：基于波动光学，近轴物点发出的球面波经系统后仍为球面波，但由于衍射现象的存在，物点的理想像是一个艾里斑。对于实际系统，由于像差的存在，经系统后不再是球面波。,以下以单透镜为例，讨论各种像差的基本性质。,（1）主截面：包含光轴的任一平面。（2）子午面：物点所在的主截面。对于轴上物点，任一主截面都是子午面。（3）弧矢面：与子午面垂直的主截面。（4）理想像（高斯像）。,4、基本概念,1、定义,（轴向）球差：轴上物点发出的同心、宽光束经光学系统后,不再是同心光束。对于不同孔径角（入射高度）的光线，将会聚在光轴不同的位置，相对于理想像点有不同程度的偏离。,二、球差（SphericalAberration）,高斯像面,二、球差（SphericalAberration）,（轴向）球差：,球差是光束孔径角（或入射高度）的函数。,球差是轴上点像差，具有关于光轴对称性。,2、相关性质,2、相关性质,单个透镜：无数不同楔角的光楔组合。,1）正（会聚）透镜：,2）负（发散）透镜：,3、不晕点（齐明点）不产生像差的共轭点。,物、像均位于球面顶点：,物、像位于球面的曲率中心：,3、不晕点（齐明点）,物、像位置：,应用：齐明透镜,（1）加光阑，选择近轴光束；（2）正、负透镜组合进行校正；（3）采用非球面透镜（如菲涅耳螺纹透镜）。,4、消除球差的方法,5、小结,轴上物点宽光束(不同孔径角),1）像点位置的轴向偏离：球差2）高斯像面上的弥散圆斑：垂轴球差,问题：,（1）轴外物点是否有球差？（2）轴外物点发出的宽光束，其对称轴是什么？,三、彗形像差（Coma，ComaticAberration）,1、轴外物点发出的宽光束：对称轴为过物点-球心的辅助轴。,子午面,三、彗形像差（Coma，ComaticAberration）,所有光线在高斯面上仍不交于同一像点，并且不是一个简单的弥散圆斑，而形成彗形像差！,（2）高斯像面上的垂轴变化：,（1）像点位置的轴向偏离(球差)：表现在沿辅轴方向上。,2、彗差：轴外物点发出的宽光束，经过透镜不同环带的光线束（不同孔径角），在高斯像面上形成一系列大小不同、相互交叠的弥散圆斑；各圆斑中心在一条直线上，与主轴有不同的距离；形成一个有尖端亮点、如同彗星形状的像。,尖端亮点：近轴细光束与主光线的交点.,3、通常光学系统的彗形像差,4、物理意义,彗差：轴外像差（孔径、视场的函数）,正弦差：小视场（近轴物）宽光束成像的不对称。,大视场（稍远轴物）宽光束成像的不对称。,5、影响：破坏轴外视场成像的清晰度。,问题：宽光束的原因造成了球差和彗差，如取无限细光束，是否就可以避免像差？,四、像散（Astigmatism）,1、与主轴成较大倾斜角的同心光束：即使是细光束，出射光束也难以保持仍为同心。,2、基本概念：非球面波与象散光束垂直于波面元，彼此既不相平行也不交于一点的非对称性光束，称为象散光束。,相互垂直的两截面内的光束各有自己的曲率中心。,焦线：光束曲率中心的轨迹两条相互垂直的短线和。像散差：两焦线之间的距离。,波面中心的法线：,例：远轴物点发出的同心细光束，经过有象散的光学系统，同心性会受到破坏，垂直于主轴的光屏在沿轴不同位置时，所接收到的成像光束截面形状会发生很大的变化。,3、象散特征：一个物点有子午焦线和弧矢焦线同时出现。,5、像散的物理意义,远轴物点发出的较大倾斜角的、同心细光束，对应的子午像点与弧矢像点不重合，并同时出现了子午焦线和弧矢焦线。,光学系统存在像散，一个物面将形成两个像面，在各个像面上不同方向的线条清晰度不同，造成轴外点无法得到清晰的像。,五、像场弯曲（FieldCurvature）,1、轴外点：子午焦线、弧矢焦线。,2、平面物：子午像面、弧矢像面。,物点离轴越远，像散差越大，造成两个像面的弯曲。,像面是关于光轴对称的旋转曲面，均相切于高斯像面中心。,五、像场弯曲（FieldCurvature）,3、消除像散，球面光学系统仍存在场曲,球面物体与折射球面具有相同的曲率中心C，对应的像面为同心球面，无像散。,平面的像面比更为弯曲，这个对平面成清晰像的曲像面称为匹兹伐尔像面（场曲）.,光阑约束细光束成像，无球差彗差。,（PetzvalFieldCurvature）,1）像散引起像面弯曲；2）像散为零，子午像面和弧矢像面重合，但平面物的像面仍是弯曲的，是一个与高斯像面中心相切的二次抛物面。,4、场曲取决于球面系统本身的特性。,5、影响：较大平面物体上的各点不能同时清晰成像。像面是弯曲的，而一般的接收屏都为平面，则若把中心调焦清晰了，边缘就变模糊；反之边缘调清晰则中心模糊。,六、畸变（Distoration）,宽光束彗差细光束像散主光线取决于光阑（入瞳中心）的位置,轴外点：,1、产生原因,2、畸变：对于大的物平面，不同视场（离轴距离y不同的物点），其主光线与高斯像面的交点高度不等于理想像高，对应的实际横向放大率因物点离轴距离而异。,2、畸变：,3、相关性质,(1)畸变是主光线的像差。(2)畸变是视场（离轴距离）的函数：横向放大率随物点离轴距离而增大枕形（正）畸变,(3)畸变是垂轴像差，表现为轴外物点在高斯像面上的成像位置的改变，只是像的变形，不影响像的清晰度。,桶形畸变,枕形畸变,物,横向放大率随物点离轴距离而减小桶形（负）畸变,（1）孔径光阑与球面的球心重合，则该球面不产生畸变；（2）完全消除畸变很难，因光阑位置难以同时满足：正弦条件：正切条件：（3）采用的对称光学系统。,4、消除畸变的途径,5、畸变的应用宽屏电影的拍摄：照相物镜所得的像，其水平向与垂直向的比例不一致，可拍摄水平方向较大范围的景象。,几何像差小结,(1)物点在主轴上：球差（光束越宽越明显）(2)物点与主轴距离不大：球差，彗差（更明显）(3)物点离轴很远、细光束：象散（最明显）(4)物面很大：场曲和畸变,未经校正的光学系统，一般五种几何像差都存在。特定的条件下，也可能只有一种像差特别明显:,七、色差（ChromaticAberrations）,光学材料对不同波长的色光有不同的折射率，非单色物发出的光线束经光学系统后，各色光之间成象位置、成像大小的差异称为色差。,1、产生原因,夫朗禾费谱线,蓝绿红,2、位置色差（Axial/LongitudinalChromaticAberration）,定义：轴上点两种色光成像位置的差异。轴向色差,定义：在消除单色像差的前提下，轴外物点发出的两种色光的主光线与相应高斯像面交点的高度之差。,2、倍率色差（LateralChromaticAberration）,3、色差的影响,位置色差：轴上物点的像是彩色弥散斑。倍率色差：轴外物点的各种色光的像在高斯面上不重合，垂轴物体的像有彩色边缘，破坏轴外点的清晰度，造成白光像模糊。大视场光学系统必须校正倍率色差。,小结一：光学系统的成像比较,理想光学系统1、任意宽的光束、任意大的空间都可以成完善像。（孔径角）（视场）2、计算：牛顿公式、高斯公式、近轴光路计算公式均可以求理想像的大小与位置。,实际光学系统1、近轴区才具有理想光学系统的性质无实际意义,成像特点：物点像点,2、通常情