光学系统的像差理论和像质评价.ppt

光学系统的像差 理想光学系统的分辨率 各类光学系统分辨率的表示方法 像差的大小反映了光学系统质量的优劣 几何像差主要有七种： 在实际光学系统中，各种像差是同时存在的。 这些像差影响光学系统成像的清晰度、相似性和色彩逼真度等，降低了成像质量。 球差是轴上点唯一的单色像差 对于单透镜来说，U越大则球差值越大 单透镜自身不能校正球差 单正透镜会产生负值球差，也被称为球差校正不足或欠校正 单负透镜会产生正值球差，也被称为球差校正过头或过校正 光学系统中对某一给定孔径的光线达到δL’ =0的系统称为消球差系统 大孔径产生的球差 加发散透镜消除球差 球差 2、彗差(轴外点宽光束) 了解成像光束光线的全貌： 子午平面和弧矢平面 彗差是轴外物点发出宽光束通过光学系统后，并不会聚一点，相对于主光线而是呈彗星状图形的一种失对称的像差 彗差通常用子午面上和弧矢面上对称于主光线的各对光线，经系统后的交点相对于主光线的偏离来度，分别称为子午彗差和弧矢彗差 弧矢彗差指对弧矢光线度量的彗差 弧矢光线对交点离开主光线的垂直距离Ks’用来表示此光线对交点偏离主光线的程度 折射后的成像光束与主光束OBy’失去了对称性 距离主光线向点越远，形成的圆斑直径越大 彗差的形状有两种： 彗星像斑的尖端指向视场中心的称为正彗差 K’T0 彗差对于大孔径系统和望远系统影响较大 彗差的大小与光束宽度、物体的大小、光阑位置、光组内部结构（折射率、曲率、孔径）有关 3、像散(轴外点细光束) 轴外点细光束成像，将会产生像散和场曲它们是互相关联的像差 这种即非对称又不会聚于一点的细光束称为像散光束 如果轴外物点是“十”字形图案 当光学系统的子午像点比弧矢像点更远离高斯像面，即lt’ls’，像散Xts’为负值，反之，像散为正值 像散是物点远离光轴时的像差，且随视场的增 大而迅速增大 若光学系统存在像散，则实际像面还受像散的影响而形成子午像面和弧矢像面 场曲需要以子午场曲和弧矢场曲来表征 子午细光束焦点相对于理想像面的偏离称为细光束子午场曲，用符号xt’表示 子午宽光束焦点相对于理想像面的偏离称为宽光束子午场曲，用符号XT’表示 细光束子午场曲与宽光束子午场曲之差为轴外点子午球差 （2）弧矢场曲 弧矢细光束焦点相对于理想像面的偏离称为细光束弧矢场曲，用符号xs’表示 弧矢宽光束焦点相对于理想像面的偏离称为宽光束弧矢场曲，用符号XS’表示 细光束弧矢场曲与宽光束弧矢场曲之差为轴外点弧矢球差 当光学系统不存在像散（即子午像与弧矢像重合）时，垂直于光轴的一个物平面经实际光学系统后所得到的像面也不一定于理想像面重合 光学系统存在场曲时，不能使一个较大的平面物体上的各点同时在同一像面上成清晰像 若按视场中心调焦，中心清晰，边缘则模糊 畸变的存在使轴外直线成为曲线像 视场的畸变用符号q表示 称为相对畸变 有些场合，如果畸变的数值很小，是可以允许的 但有些场合，畸变是非常有害的 单个薄透镜或薄透镜组的主面与孔径光阑重合时也不会产生畸变 因为主光线通过透镜的主点并沿理想方向出射的原因 6、色差 色差分为：位置色差和倍率色差 由薄透镜的焦距公式可知，同一薄透镜对不同色光有不同的焦距 称为色差校正不足 位置色差不同于球差，它在近轴区就产生 细光束成像也不能获得白光的清晰像 位置色差的性质类似于球差 光学系统只能对一个孔径的光线进行校正色差 （2）倍率色差（垂轴色差） 光学材料对不同色光的折射率不同，对于光学系统对不同色光就有不同的焦距 上图的叠加结果使像的边缘呈现彩色 光学系统的倍率色差是以两种色光的主光线在高斯像面上的交点高度之差来度量的 光学系统的像差 理想光学系统的分辨率 各类光学系统分辨率的表示方法 由于衍射的存在,即使是无像差的理想光学系统,也因为起孔径为有限大小,点物成像为一斑点. 衍射光斑的实际光强分布如下图: 瑞利判据 光学系统的像差 理想光学系统的分辨率 各类光学系统分辨率的表示方法 一、望远镜：以能分辨的两物点对望远镜的张角表示 二、照相系统：以像平面上每毫米能分辨的线对数表示 三、显微镜：以物平面上能分辨的两物体间的最小距离表示 主光线 Z 理想像平面 O1 O2 t lt’ -xt’ l’ T LT’ -XT’ l’ 用细光束弧矢场曲和宽光束弧矢场曲来度量 主光线 Z 理想像平面 O1 O2 t s lt’ -xt’ ls’ -xs’ l’ T S Ls’ -Xs’ LT’ -XT’ l’ 就形成一个曲面（纯场曲） 像散和场曲既有区别又有联系 ※有像散必然存在场曲，但场曲存在是不一定有像散 若按视场边缘调焦，边缘清晰，中心则模糊 5、畸变(相似性破坏) 畸变是垂轴（横向）放大率随视场的增大而变化，所引起一种失去物像相似的像差 枕形畸变（正畸变）：垂轴放大率随视场角的增