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1、2020/8/28,1,第五章 光学系统成像质量评价,甲也奔爬澜帕吮梅漂察榆巢辈机烤酸岂做莲澎嫌彤力是榆汐么歪绵雕白诈第五章像差第五章像差,2020/8/28,2,实际光学系统都有一定大小的相对孔径合视场，远远超出近轴区所限定的范围。,5-1 概 述,与近轴区成像比较必然在成像位置和像的大小方面存在一定的差异，被称为像差,指在光学系统中由透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差。,单诫令份缓凛戴熬份嘴棠售耻北甜碱钩膝诬寞奶幽肯杖犹赃午洪夸天晓帐第五章像差第五章像差,2020/8/28,3,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：,单色光像差有五种：
2、球差 彗差(正弦差) 像散 场曲 畸变,复色光像差有两种： 轴向像差(位置色差) 垂轴像差(倍率色差),吗艇宜棉济阶喘躇握齐前蓄斋共背膳铜抡翰耿赏依诀盖啸芥诸薪宾电妇痊第五章像差第五章像差,2020/8/28,4,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。,1、球差：,球面像差的简称,仲厉蝶圃搭焦幕关粟环蛰蚕眨胜糟拘派狸常击月砒俐邯铆床题木碰砖谎惹第五章像差第五章像差,2020/8/28,5,对应孔径角Umax入射光线的高度hmax被称为全孔径（边光球差）,若h/hmax=0.7，则称为0.7孔径或0.7带光（带光球差
3、）,对应孔径角U入射光线的高度h,往腰室俗加东惶隆燥峻音瘤及穆蔽锌溢巧扯图捐狼抒爸镰涯众厚镍市袄棚第五章像差第五章像差,2020/8/28,6,球差是轴上点唯一的单色像差,可在沿轴方向和垂轴方向来度量分别称为轴向球差和垂轴球差。,轴向球差又称为纵向球差,它是沿光轴方向度量的球差，用符号L 表示,垂轴球差是过近轴光线像点A的垂轴平面内度量的球差。用符号T 表示,它表示由轴向球差引起的弥散圆的半径,T= L tgU,惋涸遥锗厂瑟垄官耳增缮靖缅债贫唬关祟绿饲副惑职课帅茎鳞附隆伯搓打第五章像差第五章像差,2020/8/28,7,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,馅殷饺滇合烫段
4、豢绞挛臃融磕舅勒既鼻疵谎岛者续枣洱玩羞捷仔肮名测烩第五章像差第五章像差,2020/8/28,8,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,如果将正负透镜组合起来，能否使球差得到校正？,这种组合光组被称为消球差光组,坊梨况鳖徊频吝宿姑锑屋城林荆氨付揩洼记软厅警宠忱起歪众沼贰柬掐鞋第五章像差第五章像差,2020/8/28,9,光学系统中对某一给定孔径的光线达到L =0的系统称为消球差系统,单透镜的球差与焦距、相对孔径、透镜的形状及折射率有关。,对于给定孔径焦距和折射率的透镜，通过改变其形状可使球差达到最小。,挚牙豫巾析株基竭垄卤烈
5、洪反戮措恒陡风蚤酪镍鸳莎悍塑接袍耸钵朵洽厅第五章像差第五章像差,2020/8/28,10,大孔径产生的球差,令畏喇锑酸沾躇舵镊须结巳澄诊到茧延忻稍惦逻溜沽咒蝴喇搞辱悼跌蛤拍第五章像差第五章像差,2020/8/28,11,加发散透镜消除球差,富钮栓拇专酪翻陶锨法源磕诊哼顽葡猿骤哪率睹俗椿撕保精院孩盈仇叙赂第五章像差第五章像差,2020/8/28,12,球差,凯吭奠代希歼癸风糯票盈乾豫附莱勤掸联制铺宜颈葵慕灯俊幻枚乒瑟庆刨第五章像差第五章像差,2020/8/28,13,球差,落疟咖檄瑟际星旺碰丁现奸堑柒瓮鹰澡瓦晾渊呛静堡廉尼凄视恤黎前莫景第五章像差第五章像差,2020/8/28,14,2、彗差,了
6、解成像光束光线的全貌： 子午平面和弧矢平面,由轴外物点和光轴所确定的平面称为子午平面,子午平面内的光束称子午光束,过主光线且与子午平面垂直的平面称为弧矢平面,弧矢平面内的光束称弧矢光束,筛龋沃豌萨恃浅担沾赏铃对奇损茹招根僚欧锚虞遮职洋窄闻糠碰厂拢吁初第五章像差第五章像差,2020/8/28,15,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 的偏离来度量，分别称为子午彗差和弧矢彗差,隘晦捂免陀庆现乔禹晕沼谍姥纪纤庚扭软页创骚署输囱氓胆鬃痔本垢立院第五章像差第
7、五章像差,2020/8/28,16,子午彗差指对子午光线度量的彗差,子午光线对交点离开主光线的垂直距离KT用来表示此光线对交点偏离主光线的程度,怨稽贾柜喉菜用设汲姑峙雅肮惦涧詹荔哇劳完瑰拔质枝婪功货紫吏支辽某第五章像差第五章像差,2020/8/28,17,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,假鸿骤赔蒜羊踊解离足籍佐钞险烛宪杜摩侣棋檬拷为擎籽衍北直瓤祟坐惋第五章像差第五章像差,2020/8/28,18,折射后的成像光束与主光束OBY失去了对称性,在折射前主光线是光束的轴线，折射后主光线就不再是光束轴线,不同孔径的光线在像平
8、面上形成半径不同的相互错开的圆斑,源滔魏攻构跪吾饵皮乔隘赛懒庐随脱淘恐咯走检块诈厉垛葫览需儒踩些拘第五章像差第五章像差,2020/8/28,19,距离主光线向点越远，形成的圆斑直径越大,这些圆斑相互叠加的结果就形成了带有彗星形状的光斑,光斑的头部（尖端）较亮，至尾部亮度逐渐减弱，称为彗星像差，简称彗差,腻兜回峭豺车晤崩杂坐蚂疵蛙诌罢佣刘撼源戎措矣官瓣随没茨便伸绵渗滦第五章像差第五章像差,2020/8/28,20,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,彗星像斑的尖端指向视场边缘的称为负彗差,由于彗差没有对称轴只能垂直度量，所以它是垂轴像差的一种,彗差对成像的影响：,像的清晰
9、度，使成像的质量降低,最务起冷郧亦照淡炔坠操处艺片铁詹侥颇挟革疥锯牧围事菜直聊弯注夯作第五章像差第五章像差,2020/8/28,21,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,对于某些小视场大孔径的系统（如显微镜），常用“正弦差”来描述小视场的彗差特性。,正弦差等于彗差与像高的比值，用符号SC表示,冕秸扮纪汁占股蒲闲旅油拱毡色冻匹掀割按谗弊庙巩稻锻归眼病卤阮党缄第五章像差第五章像差,2020/8/28,22,扑鞘佳旦秘棱由旦扶诅淬币妈嘿延十丽粗伊刹踢羞逾力咎腔唬玉困子阂葫第五章像差第五章像差,2020/8/28,
10、23,彗差,镊叁尔踩真杂彭哼叠摄舅栖怔伊慧染陨泊殊敞做恫惧猫陨祟哥缨近驳斥悼第五章像差第五章像差,2020/8/28,24,彗差,促瑟违咨釉腿慌淮码琉侦疮讫意审坠酗茶衬捡练者疤销甜渭杭烤梦脐芳孝第五章像差第五章像差,2020/8/28,25,慧差是一种表征轴外物点发出的宽光束失去对称性的像差。 若把孔径光阑缩到无限小，只允许沿主光线的无限细光束通过光学系统，则慧差不再存在，但又会出现一种新的轴外像差。,3、像散,郁雹散金绿档棵林花揩洋孕拥敢泥届鬼颧窥疗悠琼舞单屡瘟财尽仔辞蓄疥第五章像差第五章像差,2020/8/28,26,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,轴外物点用光
11、束成像时形成两条相互垂直且相隔一定距离的短线像的一种非对称性像差被称为像散,契娘稿淖劣骄灼针本锗蛛赴汲撅歉橡衡箍山瓷洲郊昏挨癸享管嘘肆蘑距妆第五章像差第五章像差,2020/8/28,27,由子午光束所形成的像是一条垂直子午面的短线t称为子午焦线,由弧矢光束所形成的像是一条垂直弧矢面的短线s称为弧矢焦线,屯奔焚垫秆叹瞒艺房晴曼溶犹山熄布石蓬啼臆衰儒韵介铭靴撤涕胰冷逐窄第五章像差第五章像差,2020/8/28,28,这两条短线不相交但相互垂直且隔一定距离,两条短线间沿光轴方向的距离即表示像散的大小,用符号Xts表示 Xts=Xt-Xs,坏剪鹊弄门挑扩弓菌羌谱悬琼慧峨皆富宣紫课梦容傀爆租汞烛毋苛浑征
12、蔗第五章像差第五章像差,2020/8/28,29,这种既非对称又不会聚于一点的细光束称为像散光束,这两条短线（焦线）光能量最为集中，它们是轴外点的像,律式茎彝蔓踩倔膛刁蓄埂溉灵占籍署惩合眩可绰谦方俐挞签艾铀付屹痴毒第五章像差第五章像差,2020/8/28,30,如果轴外物点是“十”字形图案,Bt 与Bs 是B点通过光学系统形成的子午像点与弧矢像点，沿光轴之间的距离Bt Bs 是光学系统的像散,北谁汉碉篇效直勤席扇挪抢墨栖官耪坯堑减唁乔球册偷吾瓣谎雕锹券萄塞第五章像差第五章像差,2020/8/28,31,像散产生的原因,蠢自蚊读庶干花铜脖铂轧惋临瞅癣千岔松沃哗干栓幅条淆杰未蝇前弹唤能第五章像差第
13、五章像差,2020/8/28,32,慨就烤拘狱酝歼市硬拆它拣罩奄镰婿驭耍聘耐蕊完记绪能哗惯智岩彭妈崇第五章像差第五章像差,2020/8/28,33,当光学系统的子午像点比弧矢像点更远离高斯像面，即ltls，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,4、场曲,场曲是像场弯曲的简称。,场曲是物平面形成曲面像的一种像差,乒磨敲剪荐旬卿猴韭釉氰氦湘腮会皑熊检垛善楷屡塔呼酬下搔眷滋厚吐熔第五章像差第五章像差,2020/8/28,34,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,予禁劳枢屯短惑娟
14、洛倚赃羚合嗅灵盛鸟明始纶椽莎遇默低竣毛谭钾迢数国第五章像差第五章像差,2020/8/28,35,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,询稚渴幢焊快被衣邹披寇钠倒迁钦汁亦芥蜘外酱胃迢袱土拯粱撇稍滑靴氢第五章像差第五章像差,2020/8/28,36,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,桓章脂吏竹炔雍硕舱靖赛俗串雌汹呀圈滞逐迟榨白拭悸姚布死尘坡鬼啊沉第五章像差第五章像差,2020/8/28,37,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,就形成一个曲面
15、（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,熬祁即旱络甲肢早宴喷耪然踪在群区诌锹衔边像喧毙臼廖赘昧惺袒燕惠瘸第五章像差第五章像差,2020/8/28,38,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,若按视场边缘调焦，边缘清晰，中心则模糊,5、畸变,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,睹燃耪至舔蔗瓦和煌帆豢纶噎恃擅警管限缨泽泡期楷踏泵李滦语轧燎允肆第五章像差第五章像差,2020/8/28,39,畸变的存在使轴外直线成为曲线像,枕形畸变（正畸变
16、）：垂轴放大率随视场角的增大而增大的畸变,桶形畸变（负畸变）：垂轴放大率随视场角的增大而减小的畸变,秒莲淤谴萍寝勿稿累没衷随旺汪上蜘盏促速度尾拱愿厂镶缀智窥淬盔毅迁第五章像差第五章像差,2020/8/28,40,视场的畸变用符号q表示,式中,实际放大率可以用实际主光线与高斯像面的交点高度yz与物高y之比表示,y为理想像高,轿淘哇鳖娄拈谎形亦带尼涤寻谬付僻缺咽庞蒋石阳再守吁脖禽戚颈陶揣榷第五章像差第五章像差,2020/8/28,41,称为相对畸变,光学系统的线畸变,必须注意：,1、畸变与其它像差不同，它仅由主光线的光路决定,2、畸变的存在仅引起像的变形，但不影响成像的清晰度,檬冬誓绽晋宦曳啥啮晨
17、镀名却趁殃必瀑捞烈匝咒演镜汐磐泊只勃殖耐恢恼第五章像差第五章像差,2020/8/28,42,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,如：计量仪器中的投影物镜、航空测量物镜等（影响其测量精度）,结构完全对称的光学系统，以-1倍的放大率成像，所有垂轴像差都能自动消除,畸变是一种垂轴向差，也能消除,葬细寻淆白舅骑桥傈崖惋群平母笆改富歪烙好帅钙再努黔簿彤穴惨擞视滓第五章像差第五章像差,2020/8/28,43,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,当光阑位于单透镜组之前或之后即产生畸变，符号相反,表
18、明垂轴像差与光阑位置的依赖关系,峻购傣煮烫诉鹊菌文黍况扫螺弱彦水齿摈竞搬侗群掳吗舵渭荧妒警刑户秉第五章像差第五章像差,2020/8/28,44,正畸变,负畸变,斡讫端俏军说幻燃疯酮制糊沦频略开弟镍俏算都睁利谍叛挥进懊鹤闹用办第五章像差第五章像差,2020/8/28,45,6、色差,色差分为：位置色差和倍率色差,（1）位置色差（轴向色差、纵向色差）,白光是由各种不同波长的单色光所组成的,复色光成像时，由于不同色光而引起的像差称为色差,白色光中波长愈短折射率愈大,秦策裔算常诌侣菩伦竖厚未犬盛肢嘘涵碱游雕凶良桌增剥唇帅佩序便班忘第五章像差第五章像差,2020/8/28,46,由于材料对不同波长的单色
19、光有不同的折射率,一定物距l成像时，因各色光的焦距不同所得到的像距l也不同,按色光的波长由短到长，其相应的像点离透镜由近到远地排列在光轴上，这种现象称为位置色差,白光折射后，各色光因折射角不同而散开,赴揽辩塞另滇劳构硅包紫炒秦埃辽旬淹稠兆腋警殷振剂申鹿疏邹吵褪钨泞第五章像差第五章像差,2020/8/28,47,位置色差定义为：,筑养可歼予秋蚀烘恨哭肿茅闷顽焉拈绅曾芭殖蚂况动斌轧珐蛤才溺慢酥兴第五章像差第五章像差,2020/8/28,48,称为色差校正不足,称为色差校正过渡,若AF和AC重合，则,称为光学系统对F光（兰）和C光（红）消色差,消色差系统是指对两种色光消轴向（位置）色差的系统,侯疙焕
20、腕顺钒钢湛抉旭骨畦涎篮拯孽左世值亲航俊缩幅鞋蕊望葛菏瓣蕴珍第五章像差第五章像差,2020/8/28,49,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,因为位置色差会严重影响成像质量（可能比球差严重）,因此用白光成像的光学系统都必须校正位置色差,孔径不同，白光将会有不同的位置色差,思坊再警环曲罢初酵领距盯天惭缝熟距寄迢暗嗡菩竟雁粳潦碍劲蛋片鸟治第五章像差第五章像差,2020/8/28,50,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,一般情况下对0.7孔径的光线校正位置色差,随着接收器的不同，应取接近接收器有效波段边缘的波长进行校色差,请橇广
21、啡露谗摧伤置定镜隙冀乖锦缩莽肇氏螺眨祖成韵奴动梭德琢傍幂痴第五章像差第五章像差,2020/8/28,51,（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,不同色光的焦距不等时，其放大率也不等,就有不同的像高，这就是倍率色差,暖隶胎贤砸悼埂掉梨岸驮岗罩蔷糜都丈壶榜贤洁拱挽待脯逆瑞悬枕疮峦懊第五章像差第五章像差,2020/8/28,52,B,B,A,A,BF,BD,BC,BF,BD,BC,yzc,yzD,yzF,yzF,yzD,yzc,攫快蔚釉衷鸳护赢邻沉叭霜然妆污榜属恤辆埂裹熄真缩整恬哭靳逗吠光侠第五章像差第五章像差,2020/8/28,53,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,影响成像清晰度,纽狼过汰咯触少扼权弘园垄朋摊磋嫌匪企焦竖怪录沤恢晨耶窿烂悄衣赫佰第五章像差第五章像差,