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工程光学像差分析

像差分析

光学系统的像差可以分成两大类,即单色像差及色差。单色

像差五种,分别是影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲,

以及影响物象相似度的畸变。色差主要是位置色差和倍率色差。

一、单色像差1、球差

物理意义:轴上点发出的同心光束,经光学系统各个折射面

折射后,不同孔经角的光线交光轴于不同点上,相对于理想像点

的位置有不同的偏离,这就是球面像差,简称球差。

246数学表达式:?L?Ah球差只与孔径角或入射高度有关,

11?A2h1?A3h1?L,初级球差与入射高度平方成正比。

矫正:正负透镜组合消球差,采用抛物面反射镜,初级球差

和高级球差相补偿。

2、彗差

子午彗差弧矢彗差

物理意义:从光轴外的某一点向镜头发出一束平行光线,经

光学系统后,在像平面上并不是成一个点的像,而是形成不对称

的弥散光斑,这种弥散光斑的形状象彗星,从中心到边缘拖着一

个由细到粗的尾巴,首端明亮、清晰,尾端宽大、暗淡、模糊。

这种轴外光束引起的像差就称为彗差。彗差的大小与孔径、视场

有关。分为子午彗差和弧矢彗差。

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246数学表达式:C?Ah11?A2h1?A3h1?L,对于大孔径、小视场

的光学系统,彗差主要由第一、第二项决定;对于小孔径、大视

场的光学系统,彗差主要由第一、第三项决定。

矫正:光阑通过单折射面中心;选用对称式结构3、像散

物理意义:由于轴外光束的不对称性,使得轴外点的子午细

光束(即镜头的直径方向)的会聚点与弧矢细光束(镜头的园弧

方向)的会聚点位置不同,这种现象称为象散。仅与视场有关。

46数学表达式:C?A1y12?A2y2?A3y3?L

4、场曲

物理意义:当拍摄垂直于光轴的平面上的物时,经过镜头所

成的像并不在一个像平面内,而是在以光轴为对称的一个弯曲表

面上,这种成像的缺陷就是场曲。

46数学表达式:C?A1y12?A2y2?A3y3?L

矫正:对边缘视场校正场曲5、畸变

物理意义:指物所成的像在形状上的变形。畸变并不会影响

像的清晰度,而只影响像与物的相似性。

数学表达式:C?A1y3?A2y5?A3y7L

矫正:选取合适的拍照位置,结构完全对称的光学系统,孔

径光阑与透镜重合。二、色差

1、位置色差

物理意义:按色光波长由短到长,其像点离透镜由近到远地

排列在光轴上。这种现象就是位置色差。

第2页共4页

246数学表达式:?C?A0?Ah11?A2h1?A3h1L

矫正:单透镜对0.707孔径校正,正负透镜组合2、倍率色

物理意义:对轴外点来说,两种色光的垂轴放大率不一定相

等。因此,同一物体成像将引起像的大小不同,称为倍率色差。

数学表达式:?y?A1y?A2y3?A3y5?L

矫正:单透镜对边缘视场校正,密接薄透镜校正了位置色差

后无倍率色差。三、各种像差和色差的实例分析

图1图2

图3图4

图5

1、从图1可以看出,由于红光比较集中,而蓝光和绿光的半

径比较大,所以红光球差相对较小,绿光和蓝光的球差非常大。

而且三色的像斑不重合,分开的比较大,存在很严重的垂轴色差

和像散。由其像斑上下宽,表明其子午彗差和子午场曲大。

2、由图2可以看出三条线越靠近两侧越分离,而且距离横轴

距离也变大,表明垂轴像差和轴向色差比较大。

3、由图3可以看出三条线越靠近上端越分离,而且距离纵轴

距离也在加大,由

此判断子午和弧矢场曲都比较大。

4、由图4看出,其子午垂轴像差曲线弯曲的厉害,则子午慧

差大。其弧矢垂轴像差在原点处的斜率大,则弧矢场曲大。其子

第3页共4页

午垂轴像差的各色差曲线垂轴向分离的距离大,则子午垂轴色差

大。

5、从图5可看出三条线距离纵轴距离加大,表明存在轴向色

差和球差。

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