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1、.,1,理想成像的要求出入射光束为同心光束,只有近轴区成像才是理想成像。,.,2,像差概念的导出,实际光学系统中,存在着远轴区产生的实际像与近轴区产生的理想像之间的偏离。此时,从物体上任一点发出的光束通过光学系统后不能会聚为一点,而形成一弥散斑,使像不能严格地表现出原物体形状,这就是像差。,.,3,实际光学系统中轴上点的成像,.,4,单色像差,球差轴上点宽光束像差 彗差轴外点宽光束像差 像散轴外点细光束像差像面弯曲(简称场曲)畸变,.,5,球 差,轴上物点以宽光束成像时产生的像差。不同孔径角的光线所成的像点相对于理想像点的位置偏离。由于此球差是沿光轴方向度量的,也称为轴向球差,.,6,轴上物点
2、的单色像差球差,此处光束截面最小,理想像面位置,.,7,正透镜球差图示,理想像面位置,弥散斑半径,-T,- L,l ,L,- l,A,-U,U,球差的存在,使像面上形成一个弥散斑,其半径称为垂轴球差,.,8,负透镜球差图示,理想像面位置,L,- l ,- L,- l,A,-U,-U,-T,.,9,球差,轴上物点发出的宽光束经薄透镜后不再交于一点,度量球差大小,会聚透镜,发散透镜,可选取不同曲率的透镜或复合透镜消球差,.,10,.,11,影响球差的主要因素:,随物方孔径角的增大而增大与透镜形状有关与焦距有关,焦距越长,球差越小,.,12,轴外像差,彗差轴外点宽光束像差 像散 轴外点细光束像差 像
3、面弯曲(简称场曲)畸变,.,13,慧差,.,14,子午面由轴外物点B和光轴组成的对称面,入瞳,B,z,.,15,弧矢面通过主光线和子午面垂直的面 主光线:由轴外物点B发出并通过入瞳中心的光线,入瞳,B,z,.,16,.,17,子午彗差:子午面上、下光线的交点BT到主光线在垂直光轴方向的偏离,称为子午彗差,用符号KT表示。,Ba,Bz,Bb,a,b,z,B,A,入瞳,KT,C,.,18,弧矢彗差:弧矢面上前、后光线的交点BS到主光线在垂直光轴方向的偏离,称为弧矢彗差,用符号KS表示。,.,19,.,20,畸变的产生,对于一般实际光学系统来说,只有在近轴区垂轴放大率才是常数。当视场增大时,像的垂轴
4、放大率便会随视场变化而异,这将会使像相对于原物失去相似性。这种使像变形的成像缺陷就称为畸变。,.,21,如光学系统存在正畸变即实际像高大于理想像高,所成的像为枕形,负畸变则成桶形。畸变只引起变形,不影响像的清晰度,.,22,像失真,但不影响像的清晰度(是由于垂轴放大率不同).,畸变,光学系统对共轭面上不同高度的物体垂轴放大率不同产生畸变.,正畸变,负畸变,.,23,畸变使像变形,.,24,五、色像差,用白光进行成像时,除了每种单色光仍会产生五种单色像差外,还会因不同色光有不同折射率造成的色散,而使不同的色光有不同的传播光路,从而呈现出因不同色光的光路差别而引起的像差,称之为色像差(简称色差)。
5、色像差因性质不同而分为位置色差和倍率色差两种。,.,25,色差:,位置(轴向)色差,倍率(横向)色差,.,26,位置色差是描述2种色光对轴上物点成像位置差异的色差。,.,27,正透镜位置色差图示,C,F,LF,LC,-LFC,A,AF,AC,.,28,轴上物点发出的大孔径光线不聚焦于一点,.,29,负透镜位置色差图示,LFC,-LC,-LF,- L,A,.,30,因色差的存在,轴上点成像是一个弥散斑 ,在a点和在c点看到的弥散斑颜色有何不同?,.,31,不同波长的光,焦距不同,像的位置不同在1,2,3三截面上,形成的光环半径不同.,近轴物近轴光线成像的色差,.,32,色差严重影响光学系统成像性
6、质,一般光学系统都必须校正色差。可以用正负透镜适当组合来校正位置色差。,.,33,影响位置色差的主要因素:,随孔径角的增大而增大与光学材料的折射率和色散率有关与透镜的焦距有关,.,34,上排为位置色差,下排为球差,两者均为轴上像差,.,35,.,36,倍率色差,此是一种因不同色光成像的高度(也即倍率)不同而造成的像大小差异的色差。 它是以两种色光(此即F光和C光)的主光线在高斯像面上的交点高度之差来度量,以符号YFC表示之。,.,37,倍率色差图示,入瞳,C,F,YF,YC,-YFC,A,BF,BC,B,.,38,倍率色差随视场的增大而增大,由于倍率色差的存在,使物体边缘呈现彩色,从而,造成白
7、光所成的像呈现彩色斑。,.,39,对于一般光学系统来说,球差、慧差和位置色差这三种对对成像性质影响较大,所以首先考虑消除,因人眼具有自动校正色差功能,故影响成像质量主要是球差和慧差。,.,40,光学设计的意义,尽管光学系统有一系列像差,而且一般总不能将其完全校正和消除。但由于人眼和所有其它光能接收器也有一定的敏感缺陷,只要使得各种像差的数值小于一个容许的限度,人眼和其它光接收器还是觉察或反映不出其成像的不完善性。这样的光学系统从实用意义来说,可认为是理想的。,.,41,.,42,影响倍率色差的主要因素:,随视场的增大而增大;与光阑位置有关;与光学材料的折射率和色散率有关,.,43,轴外物点发出
8、的同心光束,由于此斜向细光束的子午面和弧矢面相对折射球面的位置不同,使子午和弧矢面在球面上的截线曲率不同。使水平方向和竖直方向的光线的聚焦点在不同平面上,像散和场曲,.,44,(2)像散(轴外点细光束),透镜,光轴,物点,物面,像面,.,45,像散图示,.,46,子午、弧矢2个方向的光束在主光线上不同位置分别产生2条相互垂直的前后焦线,称,.,47,ls,lt,最小弥散圆,主光线,子午焦线,弧矢焦线,从子午焦线开始先出现长轴与子午面垂直的椭圆,至中间变为最小弥散圆,后再变成长轴在子午面的椭圆,后再聚焦为弧矢焦线。,.,48,卫生部视光学研究中心 美国博士伦视力保健公司,前后焦线之间为一系列大小
9、不等的椭圆形光学切面,其中最小的光学切面为一圆形,称最小弥散圆,M轴子午线,水平焦线,垂直焦线,最小弥散环,度数子午线,物体,A,B,D,C,Sturm间隙,1-D57,.,49,.,50,.,51,子午焦线和弧矢焦线与主光轴的交点分别称为子午像点和弧矢像点,二者在延轴位置的差异称为像散,.,52,像散的影响因素,随视场增大而增大与光阑位置有关与系统焦距及透镜表面曲率有关此外,与光束大小也有关,.,53,像面弯曲(简称场曲),.,54,.,55,场曲,光学系统如存在像散,一个物面将形成两个像面(即子午像面和弧矢像面),两弯曲像面与高斯像面的偏离分别称为子午场曲和弧矢场曲,以符号 xt和xs表示之。,.,56,球面光学系统存在场曲是由球面本身的固有特性决定的,如存在较大场曲时,就不能使平面物体上各点同时清晰成像,此时若把中间调清晰,边缘就变的模糊。,.,57,场曲的危害,.,58,.,59,Optics of astigmatic Lenses,.,60,场曲的影响因素,随视场增大而增大与光阑位置有关与球面系统结构有关此外,与光束大小也有关,