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第二章-光学系统像差


光学系统像差
黄小平 物理电子学院空间光通信 工程研究中心

1. 几何像差
? 1.1引言 ? 如果成像系统是理想光学系统, 则同一物点 发出的所有光线通过系统以后, 应该聚焦在 理想像面上的同一点, 且高度同理想像高一 致。 ? 但实际光学系统成像不可能完全符合理想, 物点光线通过光学系统后在像空间形成具 有复杂几何结构的像散光束, 该像散光束的 位置和结构通常用几何像差来描述。

1.2 基本原理
? 光学系统所成实际像与理想像的差异称为像差, 只有在近轴区且以单色光所成像之像才是完善的 (此时视场趋近于0,孔径趋近于0)。但实际的 光学系统均需对有一定大小的物体以一定的宽光 束进行成像,故此时的像已不具备理想成像的条 件及特性,即像并不完善。 ? 可见,像象差是由球面本身的特性所决定的,即 使透镜的折射率非常均匀,球面加工的非常完美, 像差仍会存在。 ? 几何像差主要有七种:球差、彗差、像散、场曲、 畸变、位置色差及倍率色差。前五种为单色像差, 后二种为色差。

(1)球差
? 轴上点发出的同心光束 经光学系统后,不再是 同心光束,不同入射高 度的光线交光轴于不同 位置,相对近轴像点 (理想像点)有不同程 度的偏离,这种偏离称 为轴向球差,简称球差。 如右图所示。

轴上光线像差(球差)星点法观测 示意图 及球差效果图
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6

球差校正

球差与透镜的折射率和曲率半径有关,选择不同曲率比,可以使球差达到最小。

(2)彗差
? 彗差是轴外像差之一,它体现的是轴外物点发出 的宽光束经系统成像后的失对称情况,彗差既与 孔径相关又与视场相关。若系统存在较大彗差, 则将导致轴外像点成为彗星状的弥散斑,影响轴 外像点的清晰程度。如图所示。

彗差效果示意图

(3)像散
? 像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主 光线的细光束经光学系统后,其子午焦线 与弧矢焦线间的轴向距离表示:x ? ? x ? ? x ? ? x ? x ? 分别表示子午焦线至理想像面的距离 及弧矢焦线会得到不同形状的物至理想像 面的距离,如图所示。
ts t s

t

s

像散效果示意图

(4) 像场弯曲
? 使垂直光轴的物平面成曲面像的象差称为场曲。如图4所示。 ? 子午细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束 的子午场曲; ? 弧矢细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束 的弧矢场曲。 ? 场曲是视场的函数,随着视场的变化而变化。当系统存在较 大场曲时,就不能使一个较大平面同时成清晰像,若对边缘 调焦清晰了,则中心就模糊,反之亦然。

场曲效果示意图

(5) 畸变
? 畸变描述的是主光线像差,不同视场的主光线通 过光学系统后与高斯像面的交点高度并不等于理 想像高,其差别就是系统的畸变,如图所示。 ? 由畸变的定义可知,畸变是垂轴像差,只改变轴 外物点在理想像面的成像位置,使像的形状产生 失真,但不影响像的清晰度。

桶形畸变

畸变产生 及消除

枕形畸变

对称镜头 消畸变

轴外光线像差(慧差,像散,场曲) 的星点法测试实验装置
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2. 色像差
? 光学材料对不同波长的色光有不同的折射 率,因此同一孔径不同色光的光线经过光 学系统后与光轴有不同的交点。不同孔径 不同色光的光线与光轴的交点也不相同。 在任何像面位置,物点的像是一个彩色的 弥散斑,如图所示。 ? 各种色光之间成像位置和成像大小的差异 称为色差。

轴向(位置)色差
? 轴上点两种色光成像 位置的差异称为位置 色差,也叫轴向色差。
? ? ? ? L F C ? L F ? LC

色差实验效果图

横向(倍率)色差

胶合透镜消色差


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