電子科大應(yīng)用光學(xué)chapter_07_2014-2015課件

1、2014-2015學(xué)年23第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評(píng)價(jià)4第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評(píng)價(jià)5像差概述*之前研究的都是理想像一個(gè)物點(diǎn)的理想像仍是一個(gè)點(diǎn)。從物點(diǎn)發(fā)出的所有光線通過光學(xué)系統(tǒng)后會(huì)聚于像點(diǎn)。*在近軸條件下理想成像是能近似實(shí)現(xiàn)的近軸條件要求成像光束的孔徑小和儀器的視場(chǎng)?。?，近軸小物體以細(xì)光束成像）。*對(duì)任何一個(gè)實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)而言，都需要一定的相對(duì)孔徑和視場(chǎng)。6像差概述*像差實(shí)際像與理想象之間的偏差。*對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)，像差是有害的，而沒有像差的光學(xué)系統(tǒng)是不存在的。*不可能完全消除像差。*根據(jù)系統(tǒng)的作用和接收器的

2、特性，把像差校正到某一公差范圍內(nèi)。7像差產(chǎn)生原因*高次項(xiàng)的忽略是產(chǎn)生像差的原因。sintancos1357246357sin3!5!7!cos12!4!6!217tan315315 8像差產(chǎn)生原因*單個(gè)折射球面實(shí)際光線/近軸光線的光路計(jì)算sinsinsinsinsin11sinLrlrIUiurrnnIIiinnUUIIuuiiIiLrlrUu 9像差分類1. 單色像差 軸上點(diǎn)像差球差 軸外點(diǎn)像差慧差像散場(chǎng)曲畸變2. 色差 位置色差 倍率色差10第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評(píng)價(jià)11球差什么是球差*物距L為定值時(shí)，像距L是U或h的函數(shù)。*軸上點(diǎn)A發(fā)出的同心光

3、束經(jīng)系統(tǒng)折射后，不同孔徑角U的光線與光軸相交于不同點(diǎn)，相對(duì)于理想像點(diǎn)的位置有不同的偏離球面像差。sinsinsinsinsin1sinLrIUrnIInUUIIILrU 12球差什么是球差*軸向球差垂軸球差LLltantanTLULlU13球差什么是球差相對(duì)值sinU/sinUm（或 h/hm）表示不同孔徑角（或入射高度）的光線sinU/sinUmL, l/mmL/mm1.028.5383-1.03050.8528.8289-0.73990.70729.0595-0.50930.529.2155-0.25330.329.5058-0.0630029.56880r1 = 25.815 mmd =

4、 4.0 mmr2 = -25.815 mmnD = 5.163L = -150 mmsinUm = -0.2414球差什么是球差*接收屏在空間沿著主光軸移動(dòng)，在任何位置都不能成幾何點(diǎn)，接收到的都是圓形的彌散斑，位置不同，彌散斑的直徑也不同。 15球差影響因素*是h, U的函數(shù)。*與f, D/f, n, r, 透鏡形狀有關(guān)。16球差校正*大部分光學(xué)系統(tǒng)只能對(duì)某一高度（孔徑角）校正球差，一般是對(duì)邊緣帶校正球差，即Lm = 0Lm 0，球差過校正17球差校正*配曲（利用透鏡形狀與球差的關(guān)系消除單透鏡的像差）透鏡的縱向球差與透鏡的折射率nL、曲率半徑r1, r2有關(guān)。透鏡焦距f也是nL, r1, r

5、2這三個(gè)參量的函數(shù)。對(duì)給定的nL，同樣焦距f的透鏡可以有不同的曲率比r1/r2，選擇某個(gè)比值，使球差值達(dá)到最小。球差校正*組合（正負(fù)透鏡的組合）單正透鏡的球差是負(fù)的；單負(fù)透鏡的球差是正的。正、負(fù)兩個(gè)透鏡粘合起來，組成一個(gè)復(fù)合透鏡，可使某個(gè)高度h上的球差完全抵消。1819球差校正*最簡(jiǎn)單方法在透鏡前加一個(gè)光闌，讓近軸光線通過。20球差說明 球差是軸上點(diǎn)唯一的單色像差。 任何光學(xué)系統(tǒng)都必須校正球差。球差使得像平面上的像由彌散斑組成，不能反映物體的細(xì)節(jié)。 不論采取什么措施或多復(fù)雜的系統(tǒng)，一般只能對(duì)某一孔徑環(huán)帶消除球差，而不能同時(shí)對(duì)各種孔徑角的環(huán)帶消除球差，總有一定的剩余球差。21慧差子午面與弧矢面子

6、午面：物點(diǎn)發(fā)出的主光線和光軸所決定的平面子午光線：位于子午面內(nèi)的光線弧矢面：通過主光線并垂直于子午面的平面弧矢光線：弧矢面內(nèi)的光線22彗差什么是彗差*軸外物點(diǎn)發(fā)出的粗光束，經(jīng)系統(tǒng)后所成的像對(duì)主光線失去對(duì)稱性，靠近主光線的細(xì)光束交于主光線形成亮點(diǎn)，遠(yuǎn)離主光線的不同孔徑的光束形成遠(yuǎn)離主光線的不同圓環(huán)。軸外物點(diǎn)在理想像面上形成如同彗星狀的光斑，這種成像缺陷稱為彗差。*子午彗差子午面內(nèi)，某孔徑上、下光線對(duì)經(jīng)系統(tǒng)后的交點(diǎn)BT到主光線的垂軸距離，KT。23彗差子午彗差*子午光線經(jīng)系統(tǒng)成像仍在子午面內(nèi)。*由于系統(tǒng)像差的存在，對(duì)稱于主光線兩側(cè)的子午光線對(duì)a、b，經(jīng)系統(tǒng)后，交點(diǎn)不在主光線上，也不交在理想像面上。

7、2TabzKyyy24彗差弧矢彗差*弧矢面內(nèi)，某孔徑前、后光線對(duì)經(jīng)系統(tǒng)后的交點(diǎn)BS到主光線的垂軸距離，KS。SSzKyy25彗差形狀及大小*將入瞳看作由無數(shù)個(gè)大小不等的圓環(huán)組成，由軸外物點(diǎn)發(fā)出的所有通過這些圓環(huán)的圓錐面光束，經(jīng)系統(tǒng)后在理想像面上截得大小不等、形狀不一、并在垂軸方向上相互錯(cuò)開的封閉曲線，最終疊加成一個(gè)形狀復(fù)雜、對(duì)稱于子午面的彌散斑。26彗差形狀及大小*彌散斑形狀像彗星，從中心到邊緣拖著一個(gè)由細(xì)到粗的尾巴，首端明亮、清晰，尾端寬大、暗淡、模糊。正彗差（KT 0）負(fù)彗差（KT 中央放大率*負(fù)畸變（桶形畸變）邊緣放大率 中央放大率44畸變影響因素*畸變與視場(chǎng)有關(guān)，與孔徑無關(guān)。*畸變與孔

8、徑光闌位置有關(guān)。校正*對(duì)于單個(gè)折射面，將孔徑光闌設(shè)在球心處，不產(chǎn)生畸變。45畸變校正*對(duì)于單個(gè)薄透鏡或薄透鏡組，當(dāng)孔徑光闌與之重合時(shí)，不產(chǎn)生畸變?？讖焦怅@前移負(fù)畸變孔徑光闌后移正畸變46畸變校正* = -1的對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)，光闌位于系統(tǒng)中央，前后部分的畸變大小相等、符號(hào)相反，自動(dòng)校正。47第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評(píng)價(jià)48*通常情況下，物體以復(fù)色光（例如白光）成像，光學(xué)材料對(duì)不同波長(zhǎng)的譜線有不同的折射率。*透鏡焦距取決于表面的曲率半徑和材料折射率，當(dāng)曲率半徑確定后，焦距隨折射率而變化。*當(dāng)白光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)不同波長(zhǎng)有不同的焦距，各譜線將形成各自的像

9、點(diǎn)，導(dǎo)致一個(gè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)許多不同的像點(diǎn)位置和放大倍率，這種差異稱為色差。*可見光范圍內(nèi)，用F光（紫光）和C光（紅光）的差異表示色差。49位置色差什么是位置色差同一透鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的色光成像的焦距不同。物距一定，焦距不同像距就不同，一個(gè)物點(diǎn)形成很多像點(diǎn)。*位置色差軸上物點(diǎn)以復(fù)色光束成像時(shí)的像差，也稱為軸向色差。FCFCFCFCLLLlll位置色差什么是位置色差*不同孔徑的光束有不同的位置色差。取若干孔徑系數(shù)，對(duì)F和C光分別求得各個(gè)孔徑時(shí)的像方截距，作出各自的球差曲線，同時(shí)繪出主色光（D光）的球差曲線。50*像差曲線可以同時(shí)直觀地反映出幾種像差：各單色光的球差隨孔徑的變化；位置色差隨孔徑的變化；球差隨色

10、光的變化（色球差）；二級(jí)光譜（LFCD）。51位置色差什么是位置色差*三條曲線在橫軸上的交點(diǎn)代表了三種色光各自的理想像點(diǎn)，也反映了近軸的位置色差。52位置色差什么是位置色差*在0.707帶校正色差之后，邊緣帶色差LFC和近軸色差lFC并不像等，兩者之差稱為色球差，反應(yīng)球差的色變化。 FCFCFCFCFCFFCCFCLLlLLllLlLlLL 53位置色差什么是位置色差*當(dāng)0.707帶消色差后，F(xiàn)光和C光的交點(diǎn)與D光像點(diǎn)位置一般并不重合，其距離稱為二級(jí)光譜，用LFCD表示。FCDFDCDLLLLL54位置色差校正*正、負(fù)透鏡膠合（光焦度符號(hào)相反）55倍率色差什么是倍率色差*F光與C光主光線的像點(diǎn)

11、高度之差，在參考像面（D光的像面）上度量，YFC或yFC。FCFCFCFC,YYYyyyfllx *對(duì)軸外點(diǎn)，不同色光的焦距不等時(shí)，垂軸放大率也不相等，因而有不同像高。56倍率色差什么是倍率色差*倍率色差嚴(yán)重時(shí)，物體的像有彩色邊緣，即各種色光的軸外像點(diǎn)不重合。倍率色差將破壞軸外點(diǎn)像的清晰度，造成白色像的模糊。57倍率色差校正* = -1的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。*有一定空氣間隔的雙薄透鏡組合，通過調(diào)節(jié)空氣間隔來校正。58思考*反射式光學(xué)系統(tǒng)有無色差存在？*在7種基本像差中，影響軸上點(diǎn)成像質(zhì)量的有哪些？59第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評(píng)價(jià)60*適用于高像質(zhì)要求的光學(xué)

12、系統(tǒng)。*光線波面的法線理想波面在理想成像的情況下，和理想像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波面*波像差實(shí)際波面與理想波面之間的光程差當(dāng)系統(tǒng)最大波像差 /4，成像是完善的。61第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評(píng)價(jià)62波前圖（Wavefront Map）*由光路追跡計(jì)算得到實(shí)際光線與理想光線之間的光程差波像差。*波前圖實(shí)際出射波面的變形程度（波像差）。63星點(diǎn)檢測(cè)法（Star Test）*在物方放置帶有微孔（直徑0.05 mm）的被照明的星點(diǎn)板（star tester），通過顯微鏡觀察所成圖像的形狀和大小。*物點(diǎn)衍射圖形越小，能量越集中，則系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好。64點(diǎn)列圖（Spot Dia

13、gram）*對(duì)大像差系統(tǒng)，將系統(tǒng)入瞳分成大量等面積小面元，物點(diǎn)發(fā)出且穿過面元中心的光線代表通過該面元的能量。所追跡光線在成像面上的交點(diǎn)分布點(diǎn)列圖代表像點(diǎn)的光亮度分布。*入瞳處面元的選?。褐苯亲鴺?biāo)；極坐標(biāo)；考慮系統(tǒng)攔光效應(yīng)。*以集中60%以上的點(diǎn)所構(gòu)成的圖像區(qū)域作為實(shí)際有效彌散斑，彌散斑直徑的倒數(shù)為系統(tǒng)的分辨率。65點(diǎn)列圖（Spot Diagram）66光學(xué)傳遞函數(shù)*物體可看作是由各種頻率的譜組成的，即將物體的光場(chǎng)分布函數(shù)展開成傅里葉級(jí)數(shù)/積分的形式。67光學(xué)傳遞函數(shù)*光學(xué)傳遞函數(shù)（Optical Transfer Function, OTF）表征光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同空間頻率的目標(biāo)的傳遞性能，能夠全面

14、反映光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。*在現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)中，通常用光學(xué)傳遞函數(shù)作為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量指標(biāo)。在設(shè)計(jì)階段可以通過光學(xué)傳遞函數(shù)的計(jì)算，具體了解所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際成像性能。光學(xué)傳遞函數(shù)也是光學(xué)測(cè)量和像質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)。68光學(xué)傳遞函數(shù)正弦光柵和矩形光柵69光學(xué)傳遞函數(shù)正弦光柵和矩形光柵*正弦光柵相鄰兩個(gè)極大（或極小）值之間的距離稱為空間周期，T，mm。單位距離內(nèi)的空間周期數(shù)叫做空間頻率 （每毫米內(nèi)包含的亮線或暗線的條數(shù)），lp/mm。1 T光學(xué)傳遞函數(shù)正弦光柵和矩形光柵*正弦光柵光亮度分布I(x)可看成是由一個(gè)均勻的底亮度I0加上振幅為Ia的正弦曲線而成。70 0amax0amin0acos 2I xIIx

15、IIIIII71光學(xué)傳遞函數(shù)正弦光柵和矩形光柵*用調(diào)制度M（/反襯度/對(duì)比度）表示正弦光柵線條明暗對(duì)比度。（令I(lǐng)0 = 1）maxminamaxmin01IIIMIII 0aa00cos 21cos 21cos 2I xIIxIIxIMx 72光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)定義*若將一個(gè)正弦光柵作為物體，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后所成的像仍為正弦光柵。*理想成像：像的位置位置、大小由高斯光學(xué)決定；像的光亮度分布不考慮系統(tǒng)的衍射、吸收、反射； M代表物體的對(duì)比度，也代表理想像的對(duì)比度。73光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)定義*實(shí)際成像（衍射及像差）： 對(duì)比度降低調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）aa00,IIMMII 0,1MTM74光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)定義*實(shí)際成像（衍射及像差）： 相位移動(dòng)相位傳遞函數(shù)（PTF）理想成像光亮度分布實(shí)際成像光亮度分布 1cos 2I xMx 1cos 2IxMx 75光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)定義*光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）反映光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體