[实验四]几何象差的现象及规律.PDF

[ 实验四] 几何象差的现象及规律 一、实验目的 掌握各种几何象差产生的条件及其基本规律，观察各种象 差现象。 实际测量显微系统的线视场、放大倍率及数值孔径的大 小。 二、实验仪器 焦距仪、待观测望远镜、被观测物镜、简易光具座及相应 附件等。 三、测量原理 (一) 显微镜线视场的检测 四、实验原理 光学系统所成实际象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，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 图 4 －1 球差是轴上点像差，它随着孔径的变化而变化。如图4 －1 所示，如果系统中存在球差则将影响成像的清晰程度，使像模 糊。 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4 －2 所示： 图 4 －2 3、像散 图 4 －3 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 ts t s ′ ′ 式中，x ,x 分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线 t s 至理想像面的距离，如图4 －3 所示： 当系统存在像散时，不同的像面位置会得到不同形状的物 点像。若光学系统对直线成像，由于像散的存在其成像质量与 直线的方向有关。例如，若直线在子午面内其子午像是弥散的， 而弧矢像是清晰的；若直线在弧矢面内，其弧矢像是弥散的而 子午像是清晰的；若直线既不在子午面内也不在弧矢面内，则 其子午像和弧矢像均不清晰，故而影响轴外像点的成像清晰 度。 不仅细光束有像散，宽光束一样有像散。 4 、场曲 使垂直光轴的物平面成曲面像的象差称为场曲。如图4 －4 所示： 图 4 －4 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。而且即使像散消失了（即子午像面 与弧矢像面相重合），则场曲依旧存在（像面是弯曲的）。 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。 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4 －5 所示： 图 4 －5 畸变仅是视场的函数，不同的视场的实际垂轴放大倍率不 同，畸变也不同。由于畸变是垂轴像差，它只改变轴外物点在 理想像面上的成像位置，使像的形状产生失真但不影响像的清 晰度。 6、位置色差 轴上点两种色光成像位置的差异称为位置色差。如图4 －6 所示： 图 4 －6 位置色差是轴上点像差，在近轴区就已产生，对目视仪器 而言常对 C 光及F 光较正位置色差。由于同一孔径的光线经 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也 与光轴的交点不相同，故而在任何像面位置物点的像都是一个