工程光学稿像差.ppt

* * 教学内容 像差的定义、种类和消像差的基本原则； 单个折射球面的不晕点（齐明点）的概念和性质，求解方法； 7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法。 重点内容 各种象差的产生原因和校正方法。 教学要求 理解球差、正弦差、慧差、像散、场曲、畸变和色差的基本概念及校正方法。 第六章 光线的光路计算及像差理论 §6－1 概述 一、基本概念 实际的光学系统都是以一定的宽度的光束对具有一定大小的物体进行成像，由于只有近轴区才具有理想光学系统性质，故不能成完善像，就存在一定的像差。 1、像差定义：——实际像与理想像之间的差异。 2、像差的分类 几何像差——以几何光学为基础，优点：计算简单、意义直观 波像差——实际波面与理想波面之间的光程差异，常用来作为评价光学系统成像质量，是几何像差的综合体现。尤其对于小像差系统，波像差更能反映像质。 单色像差——光学系统对单色光成像时所产生的像差。 3、像差产生的原因 在第一章我们曾讲过近轴光和实际光的光路计算公式。 几何像差： 球差、彗差、像散、场曲、畸变 。 色差——不同波长成像的位置及大小都有所不同。 色差 位置色差――体现不同色光的成像位置的差异 倍率色差――体现不同色光的成像大小的差异。 以上二组公式最大的区别是对于近轴光：是用弧度值取代正弦值而得到的。即sinI≈I，但实际上这一取代并不是完全精确的，它存在着一定的误差 量值，因为它们仅仅是近似相等，从而导致实际与理想之间存在差异。这就 是像差产生的原因。 二、像差谱线的选择——主要取决于接收器的光谱特性 进行像差校正时，只能校正某一波长的单色像差，对于不同的接收器件 像差谱线的选择有很大的区别。 谱线选择原则： 对光能接收器的最灵敏的谱线校正单色像差，对接收器所能接收的波段 范围两边的谱线校正色差，同时接收器的光谱特性也直接受光源、光学系统 的材料限制设计时应使三者的性能匹配好。 1、目视光学系统：一般选择D光或e光校正单色像差，对C、F光校正色差。 2、普通照相系统：一般对F光校正单色像差，对G‘、D校正色差。 3、近红外和近紫外光学系统：一般对C光校正单色像差，对A’、d校正色差。 4、对特殊光学系统：只对使用波长校正单色像差。 §6－2 轴上点的球差 一、 球差定义及表示方法 1、轴向球差 由实际光线的光路计算公式知，当物距L为定值时，像距L’与入射高度h1及孔径角U有关，随着孔径角的不同，像距L‘是变化的，即如图所示：轴上点A点发出的光束，对于光轴附近的光用近轴光路计算公式，像点为A0’（看作高斯像点），对于实际光线采用实际光计算公式，成像于A’1（实际像）。 A0 δT’ -L A’ A’0 -L Lm’ l ’ -δ’Lm A A’ A’0 - l ’ A Um Lm’ δ’Lm Um A’ A’0 -L Lm’ l ’ -δ’Lm A A’ A’0 - l ’ A Um Lm’ δ’Lm Um U 显然实际像与理想像之间存在着沿轴的差异，就把实际像点与理想像点的偏移为球差，用δLm‘表示： 由于球差的存在，导致点物经系统之后所成的不再是点像而是一个弥散斑。当用接收屏沿轴移动时，光斑的大小不同，其光斑大小也充分体现了球差的另一种表示方法，即垂轴球差。 垂轴球差的表示形式为： ΔT’——表明弥散斑半径 可见对于球差可用二种方式加以表示： 一为沿轴向度量δL’；一为垂轴度量δT ’ 。 2、球差的校正 球差是入射高度h1或孔径角U1的函数，球差随h1或U1变化的规律，可以由h1或U1的幂级数表示。由于球差具有轴对称性，当h1或U1变号时，球差δL不变，这样在级数展开时，不存在h1或U1的奇次项；当h1或U1为零时、像方截距L等于l’，即球差δL＝0，故展开式中没有常数项；所以球差可以表示为 初级球差、二级球差、三级球差、高级球差。A1、A2、A3球差系数。大部分的二级以上的球差很小，可忽略，故可表示为： 由此可知，初级球差与孔径的平方成正比，二级球差与孔径的4次方成正比。当孔径较小时，主要存在初级球差；孔径较大时，高级球差增大。 球差是孔径的偶次方函数，因此, 校正球差只能使某带的球差为零。如果通过改变结构参数, 使初级球差系数A1和高级球差系数A2符号相反，并具有一定比例，使某带的初级球差和高级球差大小相等，符号相反，则该带的球差为零。在实际设计光学系统时，常通过使初级球差与高级球差相补偿，将边缘带的球差校正到零，即 当边缘带校正球差，即h＝h