光學(xué)系統(tǒng)像差

光學(xué)系統(tǒng)像差第一頁，共二十頁，2022年，8月28日1.1引言如果成像系統(tǒng)是理想光學(xué)系統(tǒng),則同一物點(diǎn)發(fā)出的所有光線通過系統(tǒng)以后,應(yīng)該聚焦在理想像面上的同一點(diǎn),且高度同理想像高一致。但實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像不可能完全符合理想,物點(diǎn)光線通過光學(xué)系統(tǒng)后在像空間形成具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的像散光束,該像散光束的位置和結(jié)構(gòu)通常用幾何像差來描述。1.幾何像差第二頁，共二十頁，2022年，8月28日1.2基本原理光學(xué)系統(tǒng)所成實(shí)際像與理想像的差異稱為像差，只有在近軸區(qū)且以單色光所成像之像才是完善的（此時(shí)視場(chǎng)趨近于0，孔徑趨近于0）。但實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)均需對(duì)有一定大小的物體以一定的寬光束進(jìn)行成像，故此時(shí)的像已不具備理想成像的條件及特性，即像并不完善?？梢?，像象差是由球面本身的特性所決定的，即使透鏡的折射率非常均勻，球面加工的非常完美，像差仍會(huì)存在。幾何像差主要有七種：球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、位置色差及倍率色差。前五種為單色像差，后二種為色差。第三頁，共二十頁，2022年，8月28日（1）球差軸上點(diǎn)發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，不再是同心光束，不同入射高度的光線交光軸于不同位置，相對(duì)近軸像點(diǎn)（理想像點(diǎn)）有不同程度的偏離，這種偏離稱為軸向球差，簡(jiǎn)稱球差。如右圖所示。第四頁，共二十頁，2022年，8月28日軸上光線像差（球差）星點(diǎn)法觀測(cè)示意圖及球差效果圖第五頁，共二十頁，2022年，8月28日球差校正球差與透鏡的折射率和曲率半徑有關(guān)，選擇不同曲率比，可以使球差達(dá)到最小。第六頁，共二十頁，2022年，8月28日（2）彗差彗差是軸外像差之一，它體現(xiàn)的是軸外物點(diǎn)發(fā)出的寬光束經(jīng)系統(tǒng)成像后的失對(duì)稱情況，彗差既與孔徑相關(guān)又與視場(chǎng)相關(guān)。若系統(tǒng)存在較大彗差，則將導(dǎo)致軸外像點(diǎn)成為彗星狀的彌散斑，影響軸外像點(diǎn)的清晰程度。如圖所示。第七頁，共二十頁，2022年，8月28日彗差效果示意圖第八頁，共二十頁，2022年，8月28日（3）像散像散用偏離光軸較大的物點(diǎn)發(fā)出的鄰近主光線的細(xì)光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，其子午焦線與弧矢焦線間的軸向距離表示：分別表示子午焦線至理想像面的距離及弧矢焦線會(huì)得到不同形狀的物至理想像面的距離，如圖所示。第九頁，共二十頁，2022年，8月28日像散效果示意圖

第十頁，共二十頁，2022年，8月28日(4)像場(chǎng)彎曲使垂直光軸的物平面成曲面像的象差稱為場(chǎng)曲。如圖4所示。子午細(xì)光束的交點(diǎn)沿光軸方向到高斯像面的距離稱為細(xì)光束的子午場(chǎng)曲；弧矢細(xì)光束的交點(diǎn)沿光軸方向到高斯像面的距離稱為細(xì)光束的弧矢場(chǎng)曲。場(chǎng)曲是視場(chǎng)的函數(shù)，隨著視場(chǎng)的變化而變化。當(dāng)系統(tǒng)存在較大場(chǎng)曲時(shí)，就不能使一個(gè)較大平面同時(shí)成清晰像，若對(duì)邊緣調(diào)焦清晰了，則中心就模糊，反之亦然。第十一頁，共二十頁，2022年，8月28日?qǐng)銮Ч疽鈭D

第十二頁，共二十頁，2022年，8月28日(5)畸變畸變描述的是主光線像差，不同視場(chǎng)的主光線通過光學(xué)系統(tǒng)后與高斯像面的交點(diǎn)高度并不等于理想像高，其差別就是系統(tǒng)的畸變，如圖所示。由畸變的定義可知，畸變是垂軸像差，只改變軸外物點(diǎn)在理想像面的成像位置，使像的形狀產(chǎn)生失真，但不影響像的清晰度。第十三頁，共二十頁，2022年，8月28日畸變產(chǎn)生及消除桶形畸變枕形畸變對(duì)稱鏡頭消畸變第十四頁，共二十頁，2022年，8月28日軸外光線像差（慧差，像散，場(chǎng)曲）的星點(diǎn)法測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置第十五頁，共二十頁，2022年，8月28日2.色像差光學(xué)材料對(duì)不同波長的色光有不同的折射率，因此同一孔徑不同色光的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后與光軸有不同的交點(diǎn)。不同孔徑不同色光的光線與光軸的交點(diǎn)也不相同。在任何像面位置，物點(diǎn)的像是一個(gè)彩色的彌散斑，如圖所示。各種色光之間成像位置和成像大小的差異稱為色差。第十六頁，共二十頁，2022年，8月28日軸向（位置）色差軸上點(diǎn)兩種色光成像位置的差異稱為位置色差，也叫軸向色差。第十七頁，共二十頁，2022年，8月28日色差實(shí)驗(yàn)效