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第三章 波像差、光学系统像差容限与像质评价 江西理工大学 邱鑫 3.1 波像差 3.2 光学系统的像差容限 3.3 光学系统质量评价简介 总 概 要 3.1.1 波像差的定义 轴上点A以单色光成像存在球差 AM 交理想波面于M， 即为波差。 3.1 波像差 （以理想波面为基准，右负左正） 3.1.2 轴上点的波像差及其与球差的关系 球差相当的波像差为以u2为纵坐标，以δL为横坐标的球差曲线与纵轴所围面积的一半??????? 讨论 移动接收面，以接收面为基准，则球差将改变，波像差曲线随之改变——称之为离焦 。 达不到瑞利判据(波像差小于1/4波长)， （2）当有初级和二级球差时 当 当对边光校正球差时，0.707带光有最大剩余球差。 此时 显然，同样满足瑞利判据，允许的剩余球差要大得多。 （3）若再有三级以上球差，则像差平衡的原则是： 尽可能离焦后有多个大小相等、符号相反的小面积 以下动画是一个实际光学系统成像质量随离焦量变化的情况 3.1.4 参考点移动产生的波像差、焦深（depth of focus） 由： 轴向离焦 垂轴离焦 则可认为该系统仍为理想系，这时焦深为 由上可得： 焦深与像方孔径角有关，孔径越大，焦深越小。 例： 则： 所以 3.1.5 色差的波像差表示 波色差 几何像差 W—某一孔径带的光线与近轴光线的光程之差。 DD为F与C的中间光程 ? -----像差校正到什么程度的像差是允许的？ （根据使用条件） 3.2.1 小像差系统（如目视光学仪器） （2）球差 ②当U有一定大小， 使边光球差为零，0.707带光有最大剩余球差 （边光不一定恰好校正到零，允许残余1倍焦深） 3.2 光学系统的像差容限 ——瑞利判据： （3）正弦差 弧矢彗差 （4）像散 （5）像面弯曲：在人眼调节范围之内 （6）畸变 （7）倍率色差： 3.2.2 大像差系统（如摄影物镜）——应校正全部 像差 此时不可用瑞利判据，而要求 ： 畸变2-4% 要求观察着看不出明显的像变形。 以上是小视场系统容限，以下是大视场系统容限 3.3 光学系统质量评价 （1）用于设计阶段评价的有： 几何像差、波像差、瑞利判断和点列图、传递函数； （2）用于产品鉴定阶段： 分辨率检验、星点检验和光学传递函数测量等。 一般认为最大波像差小于四分之一波长，则系统质量与理想光学系统没有显著差别。这是长期以来评价高质量光学系统质量的一个经验标准，称为瑞利（LordRayleigh）准则；显微物镜、望远物镜应达到这种要求。 瑞利判断: 球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。 3.3.1 球差曲线 这一般是由两个曲线图构成图中左边的是像散场曲曲线，右边的是畸变，不同颜色表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值。 细光束场曲反映了不同视场点的细光束像点离开像面的位置变化，初级细光束场曲跟视场的平方成正比，其对成象的影响，是使一平面物体成一弯曲像面。细光束像散反映了子午和弧矢细光束像点（或子午与弧矢弯曲像面）的不重合而分开的轴向距离。 3.3.2 轴外细光束像差曲线 (Field Curvature / Distortion ) （1） 几何意义： （2）像差分析： 3.3.3 光线像差（Ray Aberration） Ray Aberration:像面（XOY面）上的X分量像差EX（X aberration）和Y分量像差EY（Y aberration）随光线孔径高(PX、PY)之间的变化曲线。 在子午面（YOZ面）内，某一物点发出不同孔径高的光线，经过镜头系统后，光线均在子午面内，光线坐标中PX=0，PY从0－1变化，因此离开主光线在像面上交点的位置表示只有Y分量（Y-aberration），X-aberration均为0，即Tan Fan（子午光扇图）只有Y-aberration，只有EY~PY关系曲线图。 （1）意义： 注意： 3）如果工作波长是一光谱段，每一视场的Ray aberration曲线中每一幅图有三根曲线，反映波长序号为1,2,3的Ray aberration数据。这样Ray aberration曲线中，1,3波长的曲线与EY轴的交点之差反映垂轴色差的大小。随着视场的变化，可以清楚垂轴色差的变化。 由Ray aberration图可以看出几何像差存在时的综合弥散情况，还可以看出其他独立几何像差的大小： （2