工程光學(xué) 1.6像差課件.ppt

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1、象差和光闌理想成像1物方每點(diǎn)發(fā)出的同心光束在像方仍能保持為同心光束；2垂直于光軸的物平面上的各點(diǎn)的像仍在在垂直于光軸的一個(gè)平面；3在每個(gè)像平面內(nèi)橫向放大率是常數(shù)，從而保持物像之間的幾何尺寸的相似性。概述光學(xué)設(shè)計(jì)在很大程度是像差設(shè)計(jì)。光學(xué)設(shè)計(jì)的三個(gè)階段:選型---初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算和選擇---像差校正、平衡與像質(zhì)評(píng)價(jià)。1幾何像差：光學(xué)系統(tǒng)成的像與理想光學(xué)系統(tǒng)成像的偏差；2波像差：波動(dòng)的觀點(diǎn)，討論出射光的波面相對(duì)入射光波的畸變。像差分類對(duì)實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)，從一點(diǎn)發(fā)出的同心光束，經(jīng)過(guò)透鏡后，光束的同心性多少要

2、受到破壞，在像空間里不再相交于一點(diǎn)，而是分布在一個(gè)小的空間內(nèi)．因此，像在形狀和顏色上與理想的像有所差別．這個(gè)差別叫做透鏡的像差．根據(jù)像差產(chǎn)生的原因和條件不同，可把像差分七類：1)色差:（1）位置色差1.像差（2）放大率色差2)球差軸上物點(diǎn)的像差3)軸外物點(diǎn)的像差:（1）彗差（2）像散（3）場(chǎng)曲（4）畸變1)色差（1）位置色差不同波長(zhǎng)的光，焦距不同,像的位置不同．在1,2,3三截面上,形成的光環(huán)半徑不同.（2）放大率色差一般用氫原子光譜的C線（波長(zhǎng)為656.3nm的紅光）和氫原子光譜的F線(波長(zhǎng)為4

3、86.1nm的藍(lán)光）的焦點(diǎn)距離來(lái)度量軸向（位置）色差的大小。單個(gè)透鏡的色差，無(wú)法消除。但是把一對(duì)不同材料的凸、凹透鏡膠合起來(lái)，可對(duì)選定的兩種波長(zhǎng)消除色差。不同顏色的光放大率不同球差1軸上物點(diǎn)發(fā)出的單色光束，經(jīng)過(guò)透鏡折射后，不同的光線與光軸交于不同的位置，這種現(xiàn)象成為球差。2物點(diǎn)發(fā)出的傍軸光線均相交主光軸上的某點(diǎn)，該點(diǎn)是理想點(diǎn)，其他焦點(diǎn)與入射光線離透鏡的高度有關(guān)。3利用光闌減小透鏡的通光孔徑，使參與成象的光線盡量接近傍軸，可以減小球差，但是光通量因此減小，影響分辨率。軸上物點(diǎn)的單色像差——球差此處光

4、束截面最小配曲法：對(duì)與給定材料、孔徑、焦距的單個(gè)透鏡，可以選擇不同的曲率半徑讓像差達(dá)到最小。補(bǔ)償法:考慮凸透鏡和凹透鏡有符號(hào)相反的像差，可以將二者結(jié)合使用，以抵消部分像差。3)軸外物點(diǎn)的像差（1）彗差軸外單色光源經(jīng)透鏡成的像為一不對(duì)稱的彌散斑，形狀象彗星，故稱彗差.屏上近軸像點(diǎn)屏幕彗差是由于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)同一物點(diǎn)不同孔徑角的光線的垂軸放大率不同引起的．（不易與球差同時(shí)消除）子午平面弧矢平面子午平面：軸外物點(diǎn)和光軸所確定的平面。子午平面內(nèi)的光束稱子午光束?；∈钙矫妫哼^(guò)主光線且與子午平面垂直的平面?；∈钙?/p>

5、面內(nèi)的光束稱弧矢光束（2）像散（軸外點(diǎn)細(xì)光束）透鏡豎直面上的光線,交于子午焦線.水平面上的光線，交于弧矢交線．光軸像散使軸外物點(diǎn)的像變成兩條分離的線．子午焦線弧矢焦線物點(diǎn)物面像面像的質(zhì)量最好屏幕（3）像場(chǎng)彎曲光軸透鏡像點(diǎn)軌跡這種像差的大小與透鏡的形狀及光束截面的粗細(xì)無(wú)關(guān),只決定于系統(tǒng)中各透鏡的焦距與其折射率之間的關(guān)系.成清晰像的最佳像面不為平面.像散和場(chǎng)曲的區(qū)別與聯(lián)系1有像散必然有場(chǎng)曲；2有場(chǎng)曲不一定有像散；3像散值和像面彎曲的值都是對(duì)某一視場(chǎng)而言的；4光學(xué)系統(tǒng)存在場(chǎng)曲時(shí)不能使一個(gè)較大的平面上的各

6、點(diǎn)同時(shí)在同一像面上成清晰的像。中心清晰則邊緣模糊，邊緣清晰則中心模糊。桶形畸變枕形畸變像失真，但不影響像的清晰度（是由于垂軸放大率不同）.（4）畸變光學(xué)系統(tǒng)對(duì)共軛面上不同高度的物體垂軸放大率不同產(chǎn)生畸變.正畸變負(fù)畸變物像畸變的說(shuō)明1引起像的變形，不影響像的清晰度。2對(duì)十字叉絲成像系統(tǒng)（如目鏡），由于中心光軸在上，畸變不會(huì)引起十字叉絲的彎曲，是可以允許。3對(duì)利用像的大小和輪廓以測(cè)定物的大小和輪廓的光學(xué)系統(tǒng)，畸變是不允許的嚴(yán)重缺陷。（印刷制版技術(shù)）4計(jì)量?jī)x器中畸變十分有害，必須校正。（投影物鏡、航空測(cè)

7、量物鏡。）像差的校正和平衡方法1高級(jí)像差無(wú)法校正，可以將低到允許范圍內(nèi)。2改變初級(jí)像差的符號(hào)和數(shù)量降低到最小。3某一種像差無(wú)法校正可以用其他的像差補(bǔ)償－－像差的平衡校正方法1代數(shù)法2實(shí)驗(yàn)法3像差自動(dòng)校正阻尼最小二乘法適應(yīng)法正交化法2.光闌前面討論的問(wèn)題，都是近軸情況.近軸情況光能量小，像面照度不夠．成像空間小，像面小.實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)，不能滿足近軸條件，必然引起像差．所以必須加一些擋光的孔，控制成像光束的孔徑，減小像差.光闌就是光學(xué)儀器中的擋光的孔.一般與透鏡同軸.（1）保證近軸條件，改善成像質(zhì)量（

8、像的清晰度），控制景深．（2）控制成像物空間的范圍．（3）控制像面的亮度．（1）孔徑光闌：諸擋光孔中,最有效的控制成像光束光能量者，稱為孔徑光闌．簡(jiǎn)稱孔闌．1)光闌的作用：2)光闌的種類：瞳孔（2）視場(chǎng)光闌：諸擋光孔中,最有效的控制成像物空間范圍者，稱為視場(chǎng)光闌.簡(jiǎn)稱場(chǎng)闌．（視場(chǎng)光闌牽涉到軸外共軛點(diǎn)。它對(duì)成像空間范圍起限制作用。）人眼瞳孔：孔徑光闌，窗窗：視場(chǎng)光闌．物點(diǎn)視場(chǎng)光闌是對(duì)成像空間范圍起限制作用的，故常將視場(chǎng)光闌放置在物平面或像平面或共軛在物像平面。例:投影儀──視場(chǎng)光闌在