光学第6章.jsp.ppt

几何光学与光学设计;第六章 光线的光路计算及相差理论;第一节 概述;一、基本概念： 像差 定义：实际像与理想像之间的差异 产生的原因：有一定的相对孔径和视场 产生像差的具体因素 不同的入射光线，其成像的位置不同 不同视场的入射光线其成像的倍率不同 子午面和弧矢面光束成像的性质也不完全相同 由于折射率不同而有不同的光程，这样就导致了不同色光成像的大小和位置也不同;像差的种类 几何像差 5种单色像差：球差、慧差(正弦差)、像散、场曲、畸变 2种色差：位置色差、倍率色差 波像差： 现象：入射波面经光学系统后形成的波面已不是球面 定义：实际波面与理想球面的偏差 应用：可直接用于评价光学系统的成像质量 关系：与几何像差有直接的变换关系;消像差原则 将主要像差修正到接收器不能察觉 二、像差计算的谱线选择 选择依据：光能接收器的光谱特性 基本原则：对接收器的最灵敏普线校正单色像差；对接收波段范围两边附近的普线校正色差 例子： 目视光学系统：单色：D光；两端：F光、C光 普通照相系统：单色：D光；两端：F光、C光 近红外光学系统：单色：C光；两端：d光、A’光 近紫外光学系统：单色：i光；两端：257nm、h光 特殊光学系统：依情况而定;第二节 光线的光路计算;不同光学系统像差计算的光线选择 小视场的光学系统，如望远物镜和显微物镜，只做第一种光线的光路计算 大视场的光学系统，如照相物镜等，做三种光线的光路计算 ;子午面 定义：轴外物点的主光线与光学系统主轴所构成的平面，称为光学系统成像的子午面 位于子午面内的那部分光线，统称为子午光束。子午光束所结成的影像，称为子午像点t。子午像点所在的像平面称为子午像面 弧矢面 定义：过轴外物点的主光线，并与子午面垂直的平面，称为光学系统成像的弧矢面 位于弧矢面内的那部分光线，统称为弧矢光束。弧矢光束所结成的影像，称为弧矢像点s。弧矢像点所在的像平面，称为弧矢像面;一、子午面内的光线光路计算： 1、近轴光线光路计算：求理想像的位置和大小 ① 轴上点近轴光线光路计算(第一近轴光线光路计算)：求出理想像的位置 计算公式：; 过渡公式： 校对公式： 求焦距公式：;②轴外点近轴光线光路计算（第二近轴光线光路计算）：求出理想像高。 求5个视场（0.3，0.5，0.707，0.85，1）的理想像高 初始数据：lZ，uZ=y/(lZ-l1) [符号含义见图(6-1)] 像高公式：y’=(lZ’-l’)uZ’;2、远轴光线光路计算 ①轴上点远轴光线光路计算：求实际像点位置 计算公式： 过渡公式： ;校对公式： ②轴外点远轴光线光路计算：求实际像大小 物体在无限远处的三条光线初始数据： （图6-2a） 上光线 主光线 下光线 ;物体在有限远处时三条主线初始数据： (图6-2b) 上光线 主光线 下光线;利用实际光线的计算公式和过渡公式逐面计算， 得实际像高： ;3.折射平面和反射面的光路计算 折射平面远轴光线的光路计算公式： 当U角很小时，可作如下变换： 折射平面近轴光线的光路计算公式：;反射面： 折射面的特例 计算：令 n’ = - n, 且其后间隔为负 ;二、轴外点沿主光线的细光束光路计算 轴外点细光束的计算是沿着主光线进行的 研究在子午面内的子午细光束和在弧矢面内的弧矢细光束的成像情况（图6-3） 结果：若像点不位于主光线上的同一点，则存在像散 计算公式： ;过渡公式： 式中Di为相邻两折射面间沿主光线方向的间隔;计算举例：望远物镜全视场和全口径;第一近轴光线光路计算(求理想像的位置)：;轴上点远轴光线光路计算(求实际像点位置)：;轴外点主光线光路计算(求实际像高)：;沿主光线细光束计算：;第三节 轴上点球差;二、球差的性质及表达式 1、球差的性质： 球差是入射高度h(U)的函数 球差具有对称性 球差与视场w(y)无关 2、表达式： 初级球差、二级球差、三级球差、高级球差 球差系数 各级球差与孔径角的关系;3、球差分布式： 光学系统的球差可以表示成系统每个面对球差的贡献之和: ΣS_：光学系统球差系数 S_：每个面上的球差分布系数 近似：初级球差在光轴附近区域有意义，初级球差： ;三、球差的校正 1、球差校正原理 单个透镜由无数个不同楔角的光楔组成 单透镜产生负球差 单负透镜产生正球差;单透镜无法校正球差，正负透镜的组合才有可能校正球差 2、球差校正方法 只能使某带的球差为零 通常将边缘带的球差校正到零 在0.707带有最大的剩余球差（图6-5） ;3、单折射面不产生球差的特殊物点位置 L＝0, L’＝0, β=