工程光學講稿(像差)

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1、教學內(nèi)容像差的定義、種類和消像差的基本原則；單個折射球面的不暈點（齊明點）的概念和性質，求解方法；7種幾何像差的定義、影響因素、性質和消像差方法。重點內(nèi)容各種象差的產(chǎn)生原因和校正方法。教學要求理解球差、正弦差、慧差、像散、場曲、畸變和色差的基本概念及校正方法。第六章光線的光路計算及像差理論§6－1概述一、基本概念實際的光學系統(tǒng)都是以一定的寬度的光束對具有一定大小的物體進行成像，由于只有近軸區(qū)才具有理想光學系統(tǒng)性質，故不能成完善像，就存在一定的像差。1、像差定義：——實際像與理想像之間的差異。2、像差的分類幾何像差——以幾何光學為基礎，優(yōu)點：計算簡單、意義直觀

2、波像差——實際波面與理想波面之間的光程差異，常用來作為評價光學系統(tǒng)成像質量，是幾何像差的綜合體現(xiàn)。尤其對于小像差系統(tǒng)，波像差更能反映像質。單色像差——光學系統(tǒng)對單色光成像時所產(chǎn)生的像差。3、像差產(chǎn)生的原因在第一章我們曾講過近軸光和實際光的光路計算公式。幾何像差：球差、彗差、像散、場曲、畸變。色差——不同波長成像的位置及大小都有所不同。色差位置色差――體現(xiàn)不同色光的成像位置的差異倍率色差――體現(xiàn)不同色光的成像大小的差異。以上二組公式最大的區(qū)別是對于近軸光：是用弧度值取代正弦值而得到的。即sinI≈I，但實際上這一取代并不是完全精確的，它存在著一定的誤差量值，因

3、為它們僅僅是近似相等，從而導致實際與理想之間存在差異。這就是像差產(chǎn)生的原因。二、像差譜線的選擇——主要取決于接收器的光譜特性進行像差校正時，只能校正某一波長的單色像差，對于不同的接收器件像差譜線的選擇有很大的區(qū)別。譜線選擇原則：對光能接收器的最靈敏的譜線校正單色像差，對接收器所能接收的波段范圍兩邊的譜線校正色差，同時接收器的光譜特性也直接受光源、光學系統(tǒng)的材料限制設計時應使三者的性能匹配好。1、目視光學系統(tǒng)：一般選擇D光或e光校正單色像差，對C、F光校正色差。2、普通照相系統(tǒng)：一般對F光校正單色像差，對G‘、D校正色差。3、近紅外和近紫外光學系統(tǒng)：一般對C光

4、校正單色像差，對A’、d校正色差。4、對特殊光學系統(tǒng)：只對使用波長校正單色像差。§6－2軸上點的球差一、球差定義及表示方法1、軸向球差由實際光線的光路計算公式知，當物距L為定值時，像距L’與入射高度h1及孔徑角U有關，隨著孔徑角的不同，像距L‘是變化的，即如圖所示：軸上點A點發(fā)出的光束，對于光軸附近的光用近軸光路計算公式，像點為A0’（看作高斯像點），對于實際光線采用實際光計算公式，成像于A’1（實際像）。A0δT’-LA’A’0-LLm’l’-δ’LmAA’A’0-l’AUmLm’δ’LmUmA’A’0-LLm’l’-δ’LmAA’A’0-l’AUmLm’

5、δ’LmUmU'顯然實際像與理想像之間存在著沿軸的差異，就把實際像點與理想像點的偏移為球差，用δLm‘表示：由于球差的存在，導致點物經(jīng)系統(tǒng)之后所成的不再是點像而是一個彌散斑。當用接收屏沿軸移動時，光斑的大小不同，其光斑大小也充分體現(xiàn)了球差的另一種表示方法，即垂軸球差。垂軸球差的表示形式為：ΔT’——表明彌散斑半徑可見對于球差可用二種方式加以表示：一為沿軸向度量δL’；一為垂軸度量δT’。2、球差的校正球差是入射高度h1或孔徑角U1的函數(shù)，球差隨h1或U1變化的規(guī)律，可以由h1或U1的冪級數(shù)表示。由于球差具有軸對稱性，當h1或U1變號時，球差δL'不變，這樣在

6、級數(shù)展開時，不存在h1或U1的奇次項；當h1或U1為零時、像方截距L'等于l’，即球差δL'＝0，故展開式中沒有常數(shù)項；所以球差可以表示為初級球差、二級球差、三級球差、高級球差。A1、A2、A3球差系數(shù)。大部分的二級以上的球差很小，可忽略，故可表示為：由此可知，初級球差與孔徑的平方成正比，二級球差與孔徑的4次方成正比。當孔徑較小時，主要存在初級球差；孔徑較大時，高級球差增大。球差是孔徑的偶次方函數(shù)，因此,校正球差只能使某帶的球差為零。如果通過改變結構參數(shù),使初級球差系數(shù)A1和高級球差系數(shù)A2符號相反，并具有一定比例，使某帶的初級球差和高級球差大小相等，符號相

7、反，則該帶的球差為零。在實際設計光學系統(tǒng)時，常通過使初級球差與高級球差相補償，將邊緣帶的球差校正到零，即當邊緣帶校正球差，即h＝hm,δL’m＝0時，則有A1＝－A2h2m，將此帶入上式可得，球差極大值對應的高度為：h＝0.707hm將此值帶入δL’m=0時的級數(shù)展開式，得：球差曲線圖從上分析知球差與孔徑密切相關，U越大，δL‘越大，所以球差必須校正。對于光學系統(tǒng)而言，透鏡是最為基本的元件：正透鏡――產(chǎn)生負球差；負透鏡――產(chǎn)生正球差。這是由透鏡本身結構特性決定的，所以，單個透鏡不能校正球差。但若是正負透鏡組合，就可以實現(xiàn)球差的校正。所謂的消球差一般只是能使某

8、一孔徑帶的球差為0，而不能使各個孔徑帶全部為0，一般