工程光学第六章光学系统的像差讲稿.ppt

工程光学第六章光学系统的像差第一页，讲稿共八十七页哦像差的概念像差的概念 实际光学系统只有在近轴区才具有同理想光学实际光学系统只有在近轴区才具有同理想光学系统相同的性质。但实际系统的孔径和视场都系统相同的性质。但实际系统的孔径和视场都有一定的大小，不能对物体成完善像有一定的大小，不能对物体成完善像描述实际成像与理想成像的差异称为像差，像差描述实际成像与理想成像的差异称为像差，像差用几何量描述的称几何像差。用几何量描述的称几何像差。返回返回第二页，讲稿共八十七页哦几何像差的分类几何像差的分类球差（轴上点、宽光束、轴外点轴外点）彗差（轴外点、宽光束）像散（轴外点、细光束、宽光束宽光束）场曲（轴外点、细光束、宽光束宽光束）畸变（轴外点、主光线）位置色差（轴上点、多色光、宽光束）倍率色差（轴外点、多色光、主光线）第三页，讲稿共八十七页哦轴上点球差轴上点球差1。球差的定义球差的定义2。球差的形成。球差的形成3。球差的度量球差的度量4。球差的影响。球差的影响第四页，讲稿共八十七页哦球差的光路图局部放大图光路图像面点列图第五页，讲稿共八十七页哦球差的定义球差的定义轴上物点的物距轴上物点的物距L确定时，其像确定时，其像点位置点位置L是孔径角是孔径角U（或（或h）的函数，）的函数，实际像点与理想像点的位置之差称为实际像点与理想像点的位置之差称为轴上点球差。轴上点球差。返回返回第六页，讲稿共八十七页哦球差的形成球差的形成第七页，讲稿共八十七页哦球差的形成球差的形成图图第八页，讲稿共八十七页哦球差的度量球差的度量返回返回第九页，讲稿共八十七页哦球差的影响与危害一个点形成的像为一个圆斑，破坏了理想成像的对应关系，使像点变得模糊，降低了成像的清晰度和分辨率。球差产生在轴上点（视场中心处），对整个像面的影响最为明显，必须加以校正。第十页，讲稿共八十七页哦球差的校正正负透镜组合最佳透镜形式光学设计校正球差的一般手段第十一页，讲稿共八十七页哦球差曲线球差曲线球差校正球差校正球差欠校球差欠校球差过校球差过校第十二页，讲稿共八十七页哦第十三页，讲稿共八十七页哦轴外点彗差轴外点彗差彗差的定义彗差的定义彗差的形成彗差的形成彗差的度量彗差的度量彗差的影响彗差的影响彗差的校正彗差的校正第十四页，讲稿共八十七页哦彗差的定义彗差的定义当当物物点点位位于于光光轴轴外外时时，物物点点偏偏离离了了球球面面系系统统的的对对称称轴轴位位置置，轴轴外外点点的的宽宽光光束束将将会会产产生生一一种种失失对对称称的的像像差差,这这种种像像差差称称为为彗彗差。差。第十五页，讲稿共八十七页哦子午面和弧矢面子午面和弧矢面A第十六页，讲稿共八十七页哦彗差的形成彗差的形成第十七页，讲稿共八十七页哦子午彗差子午彗差 第十八页，讲稿共八十七页哦弧矢彗差弧矢彗差 第十九页，讲稿共八十七页哦彗差的危害影响彗差的危害影响轴外点成像形成彗星状弥散斑，破坏了轴外点成像形成彗星状弥散斑，破坏了成像的清晰度成像的清晰度第二十页，讲稿共八十七页哦彗差的影响彗差的影响 返回返回第二十一页，讲稿共八十七页哦彗差的弥散斑如同彗星状彗差的弥散斑如同彗星状第二十二页，讲稿共八十七页哦轴上与轴外点的成像光束轴上与轴外点的成像光束第二十三页，讲稿共八十七页哦球差与彗差的点列图球差与彗差的点列图 球差球差 彗差彗差第二十四页，讲稿共八十七页哦彗差的校正彗差的校正当光阑位于球心时，不产生彗差当光阑位于球心时，不产生彗差改变光阑位置时彗差发生改变改变光阑位置时彗差发生改变对称结构彗差自动消除对称结构彗差自动消除第二十五页，讲稿共八十七页哦光阑位于球心不产生彗差光阑位于球心不产生彗差第二十六页，讲稿共八十七页哦对称结构彗差自动消除对称结构彗差自动消除第二十七页，讲稿共八十七页哦轴外细光束像散轴外细光束像散像散的定义像散的定义像散的形成像散的形成像散的度量像散的度量像散的影响像散的影响第二十八页，讲稿共八十七页哦像散的定义像散的定义当轴外物点发出的一束很细的光束通过入瞳时，因轴外子午和弧矢光线的不对称，使得子午像点与弧矢像点不重合。即一个物点的成像将被聚焦为子午和弧矢两个焦线，这种像差称为像散。第二十九页，讲稿共八十七页哦像散的度量像散的度量返回返回第三十页，讲稿共八十七页哦像散的影响像散的影响第三十一页，讲稿共八十七页哦像散曲线像散曲线第三十二页，讲稿共八十七页哦像散的校正像散的校正光阑位于球心不产生像散光阑位于球心不产生像散改变光阑位置像散将发生改变改变光阑位置像散将发生改变第三十三页，讲稿共八十七页哦轴外细光束场曲轴外细光束场曲 场曲的定义场曲的定义场曲的形成场曲的形成场曲的度量场曲的度量场曲的影响场曲的影响场曲的校正场曲的校正第三十四页，讲稿共八十七页哦场曲的定义场曲的定义平面物体成弯曲像面的成像缺陷称为平面物体成弯曲像面的成像缺陷称为场曲场曲 第三十五页，讲稿共八十七页哦 场曲光路 场曲曲线第三十六页，讲稿共八十七页哦场曲的度量场曲的度量子午场曲 子午场曲子午场曲弧矢场曲弧矢场曲第三十七页，讲稿共八十七页哦场曲的形成场曲的形成第三十八页，讲稿共八十七页哦场曲的影响场曲的影响第三十九页，讲稿共八十七页哦场曲的校正正负透镜组合正负透镜组合厚透镜厚透镜第四十页，讲稿共八十七页哦畸变畸变什么是畸变什么是畸变畸变的形成畸变的形成畸变的度量畸变的度量畸变的影响畸变的影响第四十一页，讲稿共八十七页哦什么是畸变什么是畸变理想光学系统中的物像共轭面的垂轴放大率为常数，故像与物总是完全相似。实际光学系统中，物像面之间的放大率并不是常数，随视场的不同而变化，视场中心处与视场边缘处有不同的放大率，物和像因此不再完全相似，这种像对物的变形像差称为畸变。第四十二页，讲稿共八十七页哦畸变是如何形成的第四十三页，讲稿共八十七页哦畸变的度量畸变的度量绝对畸变绝对畸变相对畸变相对畸变第四十四页，讲稿共八十七页哦两种畸变两种畸变正畸变（枕形畸变）正畸变（枕形畸变）负畸变（桶形畸变）负畸变（桶形畸变）第四十五页，讲稿共八十七页哦畸变的影响畸变的影响畸变不影响成像的清晰度，但使像改变大小及变形。畸变的大小随视场的三次方成正比，视场小的光学系统畸变不显著。第四十六页，讲稿共八十七页哦畸变的校正畸变的校正将孔径光阑设在球心处，不产生畸变 单个薄透镜或薄透镜组，当孔径光阑与之重合不产生畸变结构完全对称的光学系统畸变自动消除 第四十七页，讲稿共八十七页哦孔径光阑设在球心不产生畸变第四十八页，讲稿共八十七页哦单个薄透镜或薄透镜组，当孔径光阑与之重合不产生畸变第四十九页，讲稿共八十七页哦结构完全对称的光学系统畸变自动消除第五十页，讲稿共八十七页哦利用畸变设计利用畸变设计f镜头镜头第五十一页，讲稿共八十七页哦色差色差 什么是色差什么是色差色差的形成色差的形成色差的度量色差的度量（1）位置色差）位置色差（2）倍率色差）倍率色差色差的影响色差的影响第五十二页，讲稿共八十七页哦电磁波与可见光在电磁波辐射范围内，只有波长380nm到780nm（1nm=10-6mm）的辐射能引起人们的视感觉，这段光波叫做可见光。在这段可见光谱内，不同波长的辐射引起人们的不同色彩感觉。一般把光的颜色分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种，红色光波长最长，紫色光波长最短。白光是所有颜色光的混合。第五十三页，讲稿共八十七页哦电磁波与可见光第五十四页，讲稿共八十七页哦光的颜色与波长光色光色波长波长（nm)代表波长代表波长红（Red）780630700橙（Orange）630600620黄（Yellow）600570580绿（Green）570500550青（Cyan）500470500蓝（Blue）470420470紫（Violet）420380420第五十五页，讲稿共八十七页哦波长与折射率波长与折射率不同波长的光在真空中的传播速度都相同，而在介质中的速度不同，波长越长速度越大。折射率是真空中的速度与介质中的速度之比，波长越长，折射率越低。光学材料对不同波长的光有不同的折射率，红光的折射率低。第五十六页，讲稿共八十七页哦光的色散现象光的色散现象第五十七页，讲稿共八十七页哦色差的概念色差的概念 透镜的焦距取决于两表面的曲率半径和透镜的焦距取决于两表面的曲率半径和材料的折射率，当半径确定后，焦距随材料的折射率，当半径确定后，焦距随折射率而变化。当白光经过光学系统时，折射率而变化。当白光经过光学系统时，系统对不同波长有不同的焦距，各谱线系统对不同波长有不同的焦距，各谱线将形成各自的像点，导致一个物点对应将形成各自的像点，导致一个物点对应有许许多多不同波长的像点位置和放大有许许多多不同波长的像点位置和放大率，这种成像的色差异我们统称为色差。率，这种成像的色差异我们统称为色差。第五十八页，讲稿共八十七页哦色差的形成色差的形成色差的形成有两方面因素色差的形成有两方面因素 1 1。光学材料对不同的波长有不同折射率。光学材料对不同的波长有不同折射率 2 2。透镜具有色散作用。透镜具有色散作用第五十九页，讲稿共八十七页哦用于计算色差的谱线用于计算色差的谱线色差是描述两种波长成像点的差异，对色差是描述两种波长成像点的差异，对任意两个波长谱线都可以计算色差，对任意两个波长谱线都可以计算色差，对于可见光，通常选择可见光谱范围两端于可见光，通常选择可见光谱范围两端的的F谱线（紫光谱线（紫光486.13nm486.13nm）和）和C谱线（红谱线（红光光656.28nm656.28nm）来计算色差，用它们之间）来计算色差，用它们之间的像点差异来说明白光光学系统的色差。的像点差异来说明白光光学系统的色差。第六十页，讲稿共八十七页哦几何色差的分类几何色差的分类色差的几何描述有两种：色差的几何描述有两种：描述两种波长像点位置差异的称位置色描述两种波长像点位置差异的称位置色差或轴向色差，通常对轴上点计算；差或轴向色差，通常对轴上点计算；描述两种波长像点高度（或放大率）差描述两种波长像点高度（或放大率）差异的称倍率色差或垂轴色差，通常对轴异的称倍率色差或垂轴色差，通常对轴外点计算。外点计算。第六十一页，讲稿共八十七页哦轴上点位置色差轴上点位置色差以白光作为光源的轴上物点以白光作为光源的轴上物点A发出一条孔发出一条孔径角为径角为U的光线，其中的光线，其中F谱线和谱线和C谱线在谱线在像方交光轴于和，像方截距分别为和，像方交光轴于和，像方截距分别为和，二者之差称为该孔径的位置色差二者之差称为该孔径的位置色差特别指出，以复色光成像的物体即使在特别指出，以复色光成像的物体即使在近轴区域也存在色差近轴区域也存在色差第六十二页，讲稿共八十七页哦位置色差的光路位置色差的光路第六十三页，讲稿共八十七页哦位置色差曲线位置色差曲线第六十四页，讲稿共八十七页哦第六十五页，讲稿共八十七页哦色差曲线同时反映了四种像差色差曲线同时反映了四种像差各单色光的球差随孔径的变化；各单色光的球差随孔径的变化；位置色差随孔径的变化；位置色差随孔径的变化；球差随谱线的变化（色球差）；球差随谱线的变化（色球差）；二级光谱。二级光谱。第六十六页，讲稿共八十七页哦倍率色差倍率色差因光学系统对不同波长有不同的焦距，因光学系统对不同波长有不同的焦距，轴外物点成像的大小因不同波长而产生轴外物点成像的大小因不同波长而产生差异。差异。倍率色差通常是指倍率色差通常是指F谱线与谱线与C谱线的主光谱线的主光线的像点高度之差。线的像点高度之差。第六十七页，讲稿共八十七页哦第六十八页，讲稿共八十七页哦倍率色差的光路和成像特点倍率色差的光路和成像特点第六十九页，讲稿共八十七页哦薄透镜系统的位置色差及校正薄透镜系统的位置色差及校正 薄透镜系统的位置色差计算薄透镜系统的位置色差计算对于密接的薄透镜系统，光线在各透镜对于密接的薄透镜系统，光线在各透镜上的高度相同，则消色差的条件为上的高度相同，则消色差的条件为第七十页，讲稿共八十七页哦公式推导公式推导对高斯公式微分得对高斯公式微分得对薄透镜的焦距公式微分得对薄透镜的焦距公式微分得根据以下关系根据以下关系引入平均色散系数或阿贝常数引入平均色散系数或阿贝常数又可表示为又可表示为由于物体本身不存在色差，上式又可写成由于物体本身不存在色差，上式又可写成第七十一页，讲稿共八十七页哦双胶合透镜组校正色差的条件双胶合透镜组校正色差的条件第七十二页，讲稿共八十七页哦第七十三页，讲稿共八十七页哦倍率色差校正方案倍率色差校正方案接触薄透镜系统在校正位置色差的同时，也校正了接触薄透镜系统在校正位置色差的同时，也校正了倍率色差倍率色差 接触薄透镜系统当光阑与之重合，主光线的高度接触薄透镜系统当光阑与之重合，主光线的高度为零，不管系统存在怎样的位置色差，倍率色差为零，不管系统存在怎样的位置色差，倍率色差都不会产生。都不会产生。具有一定间隔的双分离透镜系统，可以证明，当两个具有一定间隔的双分离透镜系统，可以证明，当两个透镜选用同一材料时，当间隔满足时，也能满足校正透镜选用同一材料时，当间隔满足时，也能满足校正倍率色差的条件倍率色差的条件 当光学系统结构完全对称，并以倍率成像时，该像差当光学系统结构完全对称，并以倍率成像时，该像差也能自动消除也能自动消除 第七十四页，讲稿共八十七页哦像散的形成像散的形成第七十五页，讲稿共八十七页哦像散的形成像散的形成第七十六页，讲稿共八十七页哦像散的形成像散的形成图中A为轴上点，B为轴外点第七十七页，讲稿共八十七页哦像散的形成像散的形成第七十八页，讲稿共八十七页哦像散的形成像散的形成图3-5第七十九页，讲稿共八十七页哦象散第八十页，讲稿共八十七页哦象散第八十一页，讲稿共八十七页哦象散第八十二页，讲稿共八十七页哦象散第八十三页，讲稿共八十七页哦象散第八十四页，讲稿共八十七页哦象散第八十五页，讲稿共八十七页哦象散第八十六页，讲稿共八十七页哦象散第八十七页，讲稿共八十七页哦