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1、第五章第五章 光学系统成像质光学系统成像质量评价量评价许剑QQ：381203482Phone：138260419412015年秋第五章第五章 光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价1.几何像差和点列图球差；慧差；像散；像面弯曲；畸变；色差；点列图。几何像差和点列图几何像差和点列图l对光学成像的要求：l光学特性：如焦距，孔径，视场，放大率。l成像质量：像清晰，物像相似，变形小。l之前从理想光学出发讨论问题，引入近轴区的概念，但与实际成像肯定有差别，如何衡量？l几何像差和点列图！l用近轴光路，高斯公式，牛顿公式计算的是理想像；用实际光线光路计算的才是真实像。两者的差别即为对像差的量度。球差球差l
2、先从最简单的情况出发，什么才是最简单？l具有圆形入射光瞳，光源在轴上，所发的是单色光。l轴向球差：，垂轴球差：l球差的产生原因？l孔径角越大球差越大！l球差必须校正，如正负透镜组合。l边光球差：l校正了边缘光线的叫消球差系统。lLLtanUTT mL慧差慧差l如果物点不在光轴上？l慧差：轴外物点由视场和孔径的大小引起的像差。l子午面：由轴外物点发出的主光线与光轴决定的平面；l弧矢面：通过主光线并与子午面垂直的平面。l为什么要区分两个面？l因为物点不再光轴上，对称性给破坏，两者的性质有区别。慧差慧差l子午慧差：子午面上通过入瞳边缘的对称光线折射后的交点到主光线的距离。l蓝色为子午光线，红色为主光
3、线。)(21zbatYYYK慧差慧差l弧矢慧差：弧矢面上通过入瞳边缘的对称光线折射后的交点到主光线的距离。l绿色为弧矢光线，红色为主光线。l两种慧差都和物点与光轴处在同一平面。zssYYK慧差慧差l产生慧差的原因？l由于视场和孔径的影响使折射后的光束失去对称性而产生。l大视场系统而言，彗差必须校正。l彗差与光阑的位置有关，其大小、正负还与透镜的形状、系统的结构形式有关，故可采用对称式结构形式可消除彗差。像散像散l假如孔径无限小，只允许主光线通过，慧差不存在。此时子午光线的交点T和弧矢光线的交点S，两点重合不？像散像散l假如孔径无限小，只允许主光线通过，慧差不存在。此时子午光线的交点T和弧矢光线
4、的交点S，两点重合不？l不重合，所以产生像散！l为什么不重合？像散像散l假如孔径无限小，只允许主光线通过，慧差不存在。此时子午光线的交点T和弧矢光线的交点S，两点重合不？l不重合，所以产生像散！l为什么不重合？l光学元件（球面）对光束中不同光线折射有不同。入射球面通过折射，子午面和弧矢面各处的曲率发生变化。结果出射光波变成非球面波。像面弯曲像面弯曲l不仅物的位置能产生像差，球面光学系统本身会产生像差吗？l像面弯曲！l子午像面：离光轴距离不同的轴外物点的子午像点构成的曲面；l 弧矢像面：离光轴距离不同的轴外物点的弧矢像点构成的曲面；像面弯曲像面弯曲l假设AB和折射球面同心，球心处有一无限小光阑。
5、即B的主光线BB可以看成是虚拟的光轴。即成像没有球差、慧差和像散。但BB1和BB1依然有像差，即为像面弯曲。像面弯曲像面弯曲l如何刻画像面弯曲？l把像面弯曲投影到光轴：l子午场曲：l弧矢场曲：l影响？l轴外像点的清晰程度。l大视场系统必须校正场曲。llxttllxssststtsllxxx畸变畸变l以上几种像差都不分是否近轴区的，有没有因非近轴区而引起的像差？l在非近轴区，垂直放大率的改变使得图像产生畸变：l如B的理想像为B，实际像为Bz，容易看出，离光轴越远，两者差别越大，结果引起垂直放大率的改变。l畸变的原因？l主光线通过光学系统时 存在球差。畸变畸变l1，实际放大率与理想放大率之差与理想
6、放大率之比；l2，主光线和高斯像面交点高度与理想像高之差。l（b）枕形畸变（正）:垂轴放大率随物点离开主轴距离而增大；l（c）桶形畸变（负）：垂轴放大率随物点离开主轴距离而减小。%100qyYYzz色差色差l以上都只考虑了单色光的情况，如光瞳、视场大小，是否轴外物点，球面系统性质等等。l如果是非单色光呢？l色差：各种色光之间成像位置和成像大小的差异。l原因？l光学材料的折射率随光的波长而变化,当复合光通过光具组后，将得到一系列与各色光对应的不重合的像点。色差色差l位置色差：轴上物点发出不同颜色的光在轴上像点的位置之差。l倍率色差：轴外物点发出不同颜色的光在像平面像高之差。l不同的光色差不同，计算或校正时怎么选择？l对于目视光学系统，选可见光波段边缘的蓝光（F光）和红光（C光）来计算色差，选人眼敏感的黄光（D光）来计算单色像差。2121,LLL2121,YYY色差色差l以上说到的各种像差各不相同，怎样在设计阶段就能对总体的像差做出评价？l点列图：一点发出的许多光线经光学系统后，在像面上形成一个散布一定范围的弥散图形。l点列图中的点近似代表点像的能量分布，所以可以衡量光学系统成像的优劣。
第五章光学系统成像质量评价
