第16次课(第六章)工程光学

1、工程光学工程光学（上）（上）第六章第六章 光线的光路计算及像差理光线的光路计算及像差理论论工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院目目 录录概述概述一轴上点的球差轴上点的球差二正弦差和慧差正弦差和慧差三场曲、像散和畸变场曲、像散和畸变四五工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院光学系统的成像光学系统的成像实际光学系统与理想光学系统存在着很大的差异！ (1) (1)像差像差 (2) (2)色差色差第六章第六章 光线的光路计算及像差理论光线的光路计算及像差理论物空间中的一个点像空间中一个弥散斑 介绍实际光学系统的单色像差和色差的基本概念、产生这些

2、相差的原因及校正这些像差的方法。工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院一、基本概念一、基本概念1、理想光学系统的物像关系 在近轴光学系统中，在 时的物像大小和位置。2、像差 是由实际像和理想像之间的差异。第一第一节节 概概 述述cos,sin这样，仅适用于小的物体、细光束成像。实际情况下，都有一定的相对孔径和视场。系统的功能和使用价值工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院一、基本概念一、基本概念 由于光学系统的成像都具有一定的孔径和视场，不同孔径的入射光线的成像位置不同，不同视场的入射光线成像的倍率也不同，子午面和弧矢面光束成像的性质也不

3、尽相同。第一第一节节 概概 述述弧矢面子午面子午面：主光线和光轴决定的平面。子午面：主光线和光轴决定的平面。弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面。弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面。工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院一、基本概念一、基本概念第一第一节节 概概 述述单色像差光学系统对单色光成像所产生的像差球差、慧差、像散、场曲、畸变工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院第一第一节节 概概 述述工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院第一第一节节 概概 述述工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院

4、光电学院第一第一节节 概概 述述工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院第一第一节节 概概 述述工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院第一第一节节 概概 述述工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院一、基本概念一、基本概念第一第一节节 概概 述述色 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位置色差、倍率色差都是基于几何光学的，因此称为几何像差。工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院一、基本概念一、基本概念 基于波动光学理论，由于衍射现象的存在，一个物点通过理想的光学系统后不

5、是一个点了，而是一个斑（艾里斑）。对于一个实际的光学系统，一个球面通过光学系统形成的波面已经不是球面，这种实际波面与理想球面波的偏差称为波像差，简称波差。 波相差也可以直接评价光学系统的成像质量，而波相差与几何像差之间又有直接的变换关系。 除平面反射镜外的所有光学零件，都存在像差。完全消除像差是不可能的，也是没有必要的，所有探测器以及人眼又具有像差，或说具有一定的缺陷。第一第一节节 概述概述工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院一、基本概念一、基本概念 在光学设计中，根据光学系统的作用和接收器的特性把影响像质的主要像差校正到某一公差范围内，使接收器不能察觉或可以接受

6、，既可以认为像质是令人满意的。第一第一节节 概述概述二、像差计算的谱线选择二、像差计算的谱线选择 计算和校正光学零件或系统的像差，主要取决于光学系统或光电系统的工作光谱。一般遵循以下几个方面：工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院二、像二、像差计算的谱线差计算的谱线选择选择对工作的最灵敏的谱线进行单色像差校正； 2、对工作的波段范围两边缘附近的谱线进行消色差； 3、光源和光学系统的材料也直接限制着接收器的光谱特性，设计时三者合理匹配好。第一第一节节 概述概述计算和校正像差计算的谱线选择：计算和校正像差计算的谱线选择：1、 目视光学系统对e光(=546.1nm)消单色

7、像差，对F光(=486.1nm)和C光(=656.3nm)消色差。2、 普通照相系统对蓝光最灵敏，所以对F光消单色像差，对D光(=589.3nm)和G光(=434.1nm)消色差。工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院计算和校正像计算和校正像差计算的谱线差计算的谱线选择：选择：3. 天文照相系统对G 光(=434.1nm)消单色像差，对h光(=404.7nm)和F光(=486.1nm) 消色差。 。4. 近红外光学系统对C光消单色像差，对d光(=587.6nm)和A 光(=768.2nm) 消色差。 5. 紫外光学系统对i 光(=365.0nm)消单色像差，对 =2

8、57.0nm光和h光(=404.7nm) 消色差。 6. 特殊光学系统针对特定波长消单色像差，无需消色差。工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院光线光路的计算主要有三类：光线光路的计算主要有三类：一、子午面一、子午面内的光线光路内的光线光路计算计算包括近轴光线的光路计算，求出理想像的位置和大小、实际像包括近轴光线的光路计算，求出理想像的位置和大小、实际像的位置和大小以及像差值。的位置和大小以及像差值。二、沿二、沿轴外点主光线的细光束像点的轴外点主光线的细光束像点的计算计算 计算像散计算像散和场曲。和场曲。三、子午面三、子午面外光线或空间光线的外光线或空间光线的计算计

9、算 求得空间光学的子午像差分量和弧矢像差分量，对光学求得空间光学的子午像差分量和弧矢像差分量，对光学系统的像质进行更全面的了解。系统的像质进行更全面的了解。工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院 对于小视场的光学系统，例如望远镜、显微镜等，只校对于小视场的光学系统，例如望远镜、显微镜等，只校正与孔径有关的像散，即仅计算子午面内光线的像差值。而对于大正与孔径有关的像散，即仅计算子午面内光线的像差值。而对于大视场、大孔径的光学系统，要求校正所有的像差，包括子午面内的、视场、大孔径的光学系统，要求校正所有的像差，包括子午面内的、周外点沿主光线的像散和场曲以及空间光线的子午

10、像差和弧矢像差。周外点沿主光线的像散和场曲以及空间光线的子午像差和弧矢像差。工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院一、球差的定义和表示方法 轴上点发出的同心光束，经光学系统各个折射面折射后，不同孔经角U的光线交光轴于不同点上，相对于理想像点的位置有不同的偏离，这就是球面像差，简称球差。第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差LLl工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院球差的特点：球差是入射高度h1或孔径角U1的函数；球差具有对称性；球差与视场角无关。第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院

11、 1 1、垂轴球差垂轴球差246112131.LA hA hA h 246112131.La Ua Ua U 241121LA hA h 241121La Ua U 2 2、球差是入射高度和孔径角的函数（偶次）球差是入射高度和孔径角的函数（偶次）球差的级别球差的级别tan) (tanUlLULT工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院单个折射面的球差分布系数可写为：21cos21cos21cossinsinsinsinsinIIUIUIUIIIUniLS多个折射球面的球差分布系数为： Sk1第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差光学系统的球差分布：kkkkSUunL1sin

12、21工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院单正透镜产生负球差，自身无法单独消球差；单负透镜产生正球差，自身无法单独消球差。一般意义来说：二、球差的校正单透镜的球差特征第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差1n光楔光楔最小偏向角工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院 光学系统之所以能校正球差，是因为初级球差与二级球差反号，在某一带上相互抵消之故。 光学系统设计是改变结构参数控制初级球差，使之与二级球差获得平衡，从而获得球差校正。 当孔径增大时，光学系统二级球差与初级球差迅速增大，带光的剩余球差亦随之增大。故系统相对孔径不能任意增大,孔径愈大，为消球差所

13、需的结构愈复杂。第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院246112131.LA hA hA h 24120mmmLA hA h 212mAA h 0.707mhh40.7072/4mLA h最大的剩余球差最大的剩余球差位置边缘带球差为0工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差22mhhA21mhhAmhh/2)/(mhh21mhhA工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院对于单个折射球面，在以下三种情况时球差为零： （1）L0，此时L必为零，即物点、像点均与

14、球面顶点重合。 （2）光线和球面法线重合，物点和像点均与球面中心相重合。 （3） 。 UIUI0sinsin或不晕点（齐明点）：不产生像差的共轭点。21cos21cos21cossinsinsinsinsinIIUIUIUIIIUniLS第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院齐明透镜 第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差工程光学工程光学（上）（上）第五级北航仪器北航仪器光电学院光电学院非球面镜片非球面镜片第三节第三节 轴上点的球差轴上点的球差工程光学工程光学（上）（上）北航仪器北航仪器光电学院光电学院。3、复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将