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1、光学系统像差光学系统像差黄小平物理电子学院空间光通信工程研究中心引言引言如果成像系统是理想光学系统如果成像系统是理想光学系统,则同一物点则同一物点发出的所有光线通过系统以后发出的所有光线通过系统以后,应该聚焦在应该聚焦在理想像面上的同一点理想像面上的同一点,且高度同理想像高一且高度同理想像高一致。致。但实际光学系统成像不可能完全符合理想但实际光学系统成像不可能完全符合理想,物点光线通过光学系统后在像空间形成具物点光线通过光学系统后在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束有复杂几何结构的像散光束,该像散光束的该像散光束的位置和结构通常用几何像差来描述。位置和结构通常用几何像差来描述。1.几何像差几
2、何像差1.2 基本原理基本原理光学系统所成实际像与理想像的差异称为像差，光学系统所成实际像与理想像的差异称为像差，只有在近轴区且以单色光所成像之像才是完善的只有在近轴区且以单色光所成像之像才是完善的（此时视场趋近于（此时视场趋近于0，孔径趋近于，孔径趋近于0）。但实际的）。但实际的光学系统均需对有一定大小的物体以一定的宽光光学系统均需对有一定大小的物体以一定的宽光束进行成像，故此时的像已不具备理想成像的条束进行成像，故此时的像已不具备理想成像的条件及特性，即像并不完善。件及特性，即像并不完善。可见，像象差是由球面本身的特性所决定的，即可见，像象差是由球面本身的特性所决定的，即使透镜的折射率非常
3、均匀，球面加工的非常完美，使透镜的折射率非常均匀，球面加工的非常完美，像差仍会存在。像差仍会存在。几何像差主要有七种：球差、彗差、像散、场曲、几何像差主要有七种：球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差及倍率色差。前五种为单色像差，畸变、位置色差及倍率色差。前五种为单色像差，后二种为色差。后二种为色差。（1）球差轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点（理想像点）有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，简称球差。如右图所示。轴上光线像差（球差）星点法观测示意图 及球差效果图球差校正球差校正球差与透镜的折射率和曲率半径有关，选择不同曲率比，
4、可以使球差达到最小。球差与透镜的折射率和曲率半径有关，选择不同曲率比，可以使球差达到最小。（2）彗差）彗差彗差是轴外像差之一，它体现的是轴外物点发出彗差是轴外像差之一，它体现的是轴外物点发出的宽光束经系统成像后的失对称情况，彗差既与的宽光束经系统成像后的失对称情况，彗差既与孔径相关又与视场相关。若系统存在较大彗差，孔径相关又与视场相关。若系统存在较大彗差，则将导致轴外像点成为彗星状的弥散斑，影响轴则将导致轴外像点成为彗星状的弥散斑，影响轴外像点的清晰程度。如图所示。外像点的清晰程度。如图所示。彗差效果示意图（3）像散）像散像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主
5、光线的细光束经光学系统后，其子午焦线光线的细光束经光学系统后，其子午焦线与弧矢焦线间的轴向距离表示：与弧矢焦线间的轴向距离表示：分别表示子午焦线至理想像面的距离分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线会得到不同形状的物至理想像及弧矢焦线会得到不同形状的物至理想像面的距离，如图所示。面的距离，如图所示。像散效果示意图 (4)像场弯曲使垂直光轴的物平面成曲面像的象差称为场曲。如图使垂直光轴的物平面成曲面像的象差称为场曲。如图4所示。所示。子午细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束子午细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的子午场曲；的子午场曲；弧矢细光束的交点沿光轴方向到高斯
6、像面的距离称为细光束弧矢细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的弧矢场曲。的弧矢场曲。场曲是视场的函数，随着视场的变化而变化。当系统存在较场曲是视场的函数，随着视场的变化而变化。当系统存在较大场曲时，就不能使一个较大平面同时成清晰像，若对边缘大场曲时，就不能使一个较大平面同时成清晰像，若对边缘调焦清晰了，则中心就模糊，反之亦然。调焦清晰了，则中心就模糊，反之亦然。场曲效果示意图 (5)畸变畸变畸变描述的是主光线像差，不同视场的主光线通畸变描述的是主光线像差，不同视场的主光线通过光学系统后与高斯像面的交点高度并不等于理过光学系统后与高斯像面的交点高度并不等于理想像高，其差别就是系统的畸
7、变，如图所示。想像高，其差别就是系统的畸变，如图所示。由畸变的定义可知，畸变是垂轴像差，只改变轴由畸变的定义可知，畸变是垂轴像差，只改变轴外物点在理想像面的成像位置，使像的形状产生外物点在理想像面的成像位置，使像的形状产生失真，但不影响像的清晰度。失真，但不影响像的清晰度。畸变产生畸变产生及消除及消除桶形畸变桶形畸变枕形畸变枕形畸变对称镜头对称镜头消畸变消畸变轴外光线像差（慧差，像散，场曲）轴外光线像差（慧差，像散，场曲）的星点法测试实验装置的星点法测试实验装置 2.色像差色像差 光学材料对不同波长的色光有不同的折射光学材料对不同波长的色光有不同的折射率，因此同一孔径不同色光的光线经过光率，因此同一孔径不同色光的光线经过光学系统后与光轴有不同的交点。不同孔径学系统后与光轴有不同的交点。不同孔径不同色光的光线与光轴的交点也不相同。不同色光的光线与光轴的交点也不相同。在任何像面位置，物点的像是一个彩色的在任何像面位置，物点的像是一个彩色的弥散斑，如图所示。弥散斑，如图所示。各种色光之间成像位置和成像大小的差异各种色光之间成像位置和成像大小的差异称为色差。称为色差。轴向（位置）色差轴向（位置）色差轴上点两种色光成像轴上点两种色光成像位置的差异称为位置位置的差异称为位置色差，也叫轴向色差。色差，也叫轴向色差。色差实验效果图横向(倍率)色差胶合透镜消色差胶合透镜消色差