幾何光學(xué)課件第六章

1、第六章 　　像差與像質(zhì)評價,本文來自一生范文網(wǎng) http://www.onesheng.cn，更多優(yōu)秀范文模板請訪問http://www.onesheng.cn,§6-1　像差的定義與特點,像差：　　　實際像與理想像之間的差異,像差產(chǎn)生的原因：實際系統(tǒng)成像均具有一定的孔經(jīng)和視場，且材料的特性或折射（或反射）表面的幾何形狀引起實際像與理想像的偏差。,像差的大小反映了光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣,幾何像差主要有七種：,球差

2、彗差(正弦差)像散場曲畸變,軸向像差(位置色差)垂軸像差(倍率色差),本文來自一生范文網(wǎng) http://www.onesheng.cn，更多優(yōu)秀范文模板請訪問http://www.onesheng.cn,,1、軸上點（球差）：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,-Umax,-U,hmax,h,A０’,L’,－δL’,△y’,l’,A’,球差是軸上點唯一的單色像差,,球差是軸上點唯一的單色像差,可在

3、沿軸方向和垂軸方向來度量分別稱為軸向球差和垂軸球差。,軸向球差又稱為縱向球差,它是沿光軸方向度量的球差，用符號δL’ 表示,垂軸球差是過近軸光線像點A’的垂軸平面內(nèi)度量的球差。用符號δT’ 表示,它表示由軸向球差引起的彌散圓的半徑,δT’= δL’ tanU’,對于單透鏡來說，U越大則球差值越大,單透鏡自身不能校正球差,單正透鏡會產(chǎn)生負(fù)值球差，也被稱為球差校正不足或欠校正,單負(fù)透鏡會產(chǎn)生正值球差，也被稱為球差校正過頭或過校正,如果

4、將正負(fù)透鏡組合起來，能否使球差得到校正？,這種組合光組被稱為消球差光組,大孔徑產(chǎn)生的球差,加發(fā)散透鏡消除球差,,2、彗差,了解成像光束光線的全貌：子午平面和弧矢平面,由軸外物點和光軸所確定的平面稱為子午平面,子午平面內(nèi)的光束稱子午光束,過主光線且與子午平面垂直的平面稱為弧矢平面,弧矢平面內(nèi)的光束稱弧矢光束,彗差是軸外物點發(fā)出寬光束通過光學(xué)系統(tǒng)后，并不會聚一點，相對于主光線而是呈彗星狀圖形的一種失對稱的像差,彗差通常用子午面上和弧矢

5、面上對稱于主光線的各對光線，經(jīng)系統(tǒng)后的交點相對于主光線的偏離來度量，分別稱為子午彗差和弧矢彗差,子午彗差指對子午光線度量的彗差,子午光線對交點離開主光線的垂直距離KT’用來表示此光線對交點偏離主光線的程度,弧矢彗差指對弧矢光線度量的彗差,弧矢光線對交點離開主光線的垂直距離Ks’用來表示此光線對交點偏離主光線的程度,折射后的成像光束與主光束OBY’失去了對稱性,,在折射前主光線是光束的軸線，折射后主光線就不再是光束軸線,不同孔徑的光

6、線在像平面上形成半徑不同的相互錯開的圓斑,距離主光線向點越遠(yuǎn)，形成的圓斑直徑越大,,這些圓斑相互疊加的結(jié)果就形成了帶有彗星形狀的光斑,光斑的頭部（尖端）較亮，至尾部亮度逐漸減弱，稱為彗星像差，簡稱彗差,彗差的形狀有兩種：,彗星像斑的尖端指向視場中心的稱為正彗差,彗星像斑的尖端指向視場邊緣的稱為負(fù)彗差,由于彗差沒有對稱軸只能垂直度量，所以它是垂軸像差的一種,彗差對成像的影響：,像的清晰度，使成像的質(zhì)量降低,,,本文來自一生范文網(wǎng) 

7、;http://www.onesheng.cn，更多優(yōu)秀范文模板請訪問http://www.onesheng.cn,3、像散,軸外點細(xì)光束成像，將會產(chǎn)生像散和場曲它們是互相關(guān)聯(lián)的像差,軸外物點用光束成像時形成兩條相互垂直且相隔一定距離的短線像的一種非對稱性像差被稱為像散,由子午光束所形成的像是一條垂直子午面的短線t稱為子午焦線,由弧矢光束所形成的像是一條垂直弧矢面的短線s稱為弧矢焦線,,這兩條短線不相交但相互垂直且隔一定距離,兩條短線

8、間沿光軸方向的距離即表示像散的大小,用符號Xts’表示 Xts’=Xt’-Xs’,如果軸外物點是“十”字形圖案,Bt’ 與Bs’ 是B點通過光學(xué)系統(tǒng)形成的子午像點與弧矢像點，沿光軸之間的距離Bt’ Bs’ 是光學(xué)系統(tǒng)的像散,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的子午像點比弧矢像點更遠(yuǎn)離高斯像面，即lt’<ls’，像散Xts’為負(fù)值，反之，像散為正值,像散是物點遠(yuǎn)離光軸時的像差，且隨視場的增大而迅速增大,4、場曲,場曲是像場彎曲的簡稱。,場曲是物平

9、面形成曲面像的一種像差,若光學(xué)系統(tǒng)存在像散，則實際像面還受像散的影響而形成子午像面和弧矢像面,場曲需要以子午場曲和弧矢場曲來表征,（1）子午場曲,用細(xì)光束子午場曲和寬光束子午場曲來度量,子午細(xì)光束焦點相對于理想像面的偏離稱為細(xì)光束子午場曲，用符號xt’表示,子午寬光束焦點相對于理想像面的偏離稱為寬光束子午場曲，用符號XT’表示,細(xì)光束子午場曲與寬光束子午場曲之差為軸外點子午球差,（2）弧矢場曲,用細(xì)光束弧矢場曲和寬光束弧矢場曲來度量,弧

10、矢細(xì)光束焦點相對于理想像面的偏離稱為細(xì)光束弧矢場曲，用符號xs’表示,弧矢寬光束焦點相對于理想像面的偏離稱為寬光束弧矢場曲，用符號XS’表示,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)不存在像散（即子午像與弧矢像重合）時，垂直于光軸的一個物平面經(jīng)實際光學(xué)系統(tǒng)后所得到的像面也不一定于理想像面重合,細(xì)光束弧矢場曲與寬光束弧矢場曲之差為軸外點弧矢球差,就形成一個曲面（純場曲）,像散和場曲既有區(qū)別又有聯(lián)系,※有像散必然存在場曲，但場曲存在是不一定有像散,光學(xué)系統(tǒng)存在場曲時

11、，不能使一個較大的平面物體上的各點同時在同一像面上成清晰像,若按視場中心調(diào)焦，中心清晰，邊緣則模糊,若按視場邊緣調(diào)焦，邊緣清晰，中心則模糊,5、畸變,畸變是垂軸（橫向）放大率隨視場的增大而變化，所引起一種失去物像相似的像差,畸變的存在使軸外直線成為曲線像,枕形畸變（正畸變）：垂軸放大率隨視場角的增大而增大的畸變,桶形畸變（負(fù)畸變）：垂軸放大率隨視場角的增大而減小的畸變,視場的畸變用符號q表示,式中,實際放大率可以用實際主光線與高斯像面的

12、交點高度yz’與物高y之比表示,y’為理想像高,稱為相對畸變,光學(xué)系統(tǒng)的線畸變,必須注意：,1、畸變與其它像差不同，它僅由主光線的光路決定,2、畸變的存在僅引起像的變形，但不影響成像的清晰度,有些場合，如果畸變的數(shù)值很小，是可以允許的,但有些場合，畸變是非常有害的,如：計量儀器中的投影物鏡、航空測量物鏡等（影響其測量精度）,結(jié)構(gòu)完全對稱的光學(xué)系統(tǒng)，以-1倍的放大率成像，所有垂軸像差都能自動消除,畸變是一種垂軸向差，也能消除,單個薄透鏡或

13、薄透鏡組的主面與孔徑光闌重合時也不會產(chǎn)生畸變,因為主光線通過透鏡的主點并沿理想方向出射的原因,當(dāng)光闌位于單透鏡組之前或之后即產(chǎn)生畸變，符號相反,表明垂軸像差與光闌位置的依賴關(guān)系,正畸變,負(fù)畸變,本文來自一生范文網(wǎng) http://www.onesheng.cn，更多優(yōu)秀范文模板請訪問http://www.onesheng.cn,6、色差,色差分為：位置色差和倍率色差,（1）位置色差（軸向色差、縱向色差）,白光是由各種不同波長的

14、單色光所組成的,復(fù)色光成像時，由于不同色光而引起的像差稱為色差,白色光中波長愈短折射率愈大,由薄透鏡的焦距公式可知，同一薄透鏡對不同色光有不同的焦距,一定物距l(xiāng)成像時，因各色光的焦距不同所得到的像距l(xiāng)’也不同,按色光的波長由短到長，其相應(yīng)的像點離透鏡有近到遠(yuǎn)地排列在光軸上，這種現(xiàn)象稱為位置色差,位置色差定義為：,稱為色差校正不足,稱為色差校正過渡,若AF’和AC’重合，則,稱為光學(xué)系統(tǒng)對F光（蘭）和C光（紅）消色差,消色差系統(tǒng)是指對兩種

15、色光消軸向（位置）色差的系統(tǒng),位置色差不同于球差，它在近軸區(qū)就產(chǎn)生,細(xì)光束成像也不能獲得白光的清晰像,因為位置色差會嚴(yán)重影響成像質(zhì)量（可能比球差嚴(yán)重）,因此用白光成像的光學(xué)系統(tǒng)都必須校正位置色差,孔徑不同，白光將會有不同的位置色差,位置色差的性質(zhì)類似于球差,光學(xué)系統(tǒng)只能對一個孔徑的光線進行校正色差,一般情況下對0.7孔徑的光線校正位置色差,隨著接收器的不同，應(yīng)取接近接收器有效波段邊緣的波長進行校色差,（2）倍率色差（垂軸色差）,光學(xué)材

16、料對不同色光的折射率不同，對于光學(xué)系統(tǒng)對不同色光就有不同的焦距,不同色光的焦距不等時，其放大率也不等,就有不同的像高，這就是倍率色差,B,B,A,A,BF’,BD’,BC’,BF’,BD’,BC’,yzc’,yzD’,yzF’,yzF’,yzD’,yzc’,上圖的疊加結(jié)果使像的邊緣呈現(xiàn)彩色,光學(xué)系統(tǒng)的倍率色差是以兩種色光的主光線在高斯像面上的交點高度之差來度量的,影響成像清晰度,討論：細(xì)光束成像能否獲得白光的清晰像？,用白光成像的

17、光學(xué)系統(tǒng)都必須校正位置色差,孔徑不同，白光將會有不同的位置色差,薄透鏡的焦距公式,按色光的波長由短到長，其相應(yīng)的像點離透鏡有近到遠(yuǎn)地排列在光軸上，這種現(xiàn)象稱為位置色差,位置色差定義為：,（2）倍率色差（垂軸色差）,光學(xué)材料對不同色光的折射率不同，對于光學(xué)系統(tǒng)對不同色光就有不同的焦距,不同色光的焦距不等時，其放大率也不等,就有不同的像高，這就是倍率色差,B,B,A,A,BF’,BD’,BC’,BF’,BD’,BC’,yzc’,yzD’,