光学系统的像差理论和像质评价
第九章像质评价与像差公差分析
1.22 取555 nm 140 '' D D
入瞳 直径
该评价方法不很完善，存在的缺点： ①像差可降低光学系统的分辨率，但小像差光学系统， 其实际分辨率受像差的影响很小，不宜用分辨率来评价 象质；而在大像差光学系统中，分辨率与系统的像差有 关，常用分辨率作为成像质量指标。 ②用于分辨率检测的鉴别板，由于照明条件和接收器的 不同，其检测结果也不同，有时可能认为像质较好，有 6 时认为较差。
二、利用MTF曲线的积分值来评价像质 理论证明：像点中心点亮度值=MTF曲线所围的面积。 显然MTF所围面积越大，表明光学系统传递的信息量越多， 其成像质量越好，图象越清晰。
两曲线所 围面积 MTF曲线 所围面积
曲线I为光学系统的MTF曲线，曲线II为接收器的分辨率极 值曲线。两曲线所围面积越大，表明系统的成像质量越好， 其交点F为光学系统和接收器共同使用时的极限分辨率。
4
§9-2 分辨率
分辨率是反映光学系统能分辨物体细节的能力，是光学系 统的一个很重要的性能，因此可用其来评价光学系统的成 像质量。 表述为：能分辨的两个等亮度亮点间的距离对应艾里斑的 半径，即一个亮点的衍射图案中心与另一个亮点的衍射图 案的第一个暗环重合时，这两个亮点能被分辨开。
5
能被分辨开的两个衍射图案中的光强极大值与极小值之 比为1：0.735，与接收器能分辨的亮度相当，可分辨 率的大小还与接收器分辨率有关。 由衍射理论知，光学系统的最小分辨角为：
8
利用点列图法来评价像质时，通常是利用集中30%以上的 点或光线所构成的图形区域作为其实际有效弥散斑，其直 径的倒数即为系统的分辨率。 优点：简便易行，形象直观。 缺点：计算量大，需借助计算机。 适用范围：大像差光学系统。
第八章光学系统的像质评价
第三节 点列图
在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条 光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使 其在像面上不再集中于一点，而是形成一个分 布在一定范围内的弥散斑图形，称为点列图。
在点列图中利用这些点的密集程度来衡量光学系 统的成像质量的方法称为点列图法。
利用点列图法来评价照相物镜等的成像质量时， 通常是利用集中30%以上的点或光线所构成的 图形区域作为其实际有效弥散斑，弥散斑直径 的倒数为系统的分辨率。
第一节 瑞利判断和中心亮度
一、瑞利（Reyleigh）判断
实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过 时，
4 此波面可看作是无缺陷的。
参考 优点：便于实际应用； 缺点：从光波传播光能的观点看，瑞利判断不够严密； 适用于：小像差光学系统，如：望远物镜，显微物镜， 微缩物镜，制版物镜等。
接收器分辨率 极值曲线
第二节 分辨率
分辨率是反映光学系统能分 辨物体细节的能力。
瑞利指出：能分辨的两个等亮
度点间的距离对应艾里斑的半 径，即一个亮点的衍射图案中 点与另一个亮点的衍射图案的 第一暗环重合时，这两个亮点 则能被分辨。
根据衍射理论，无限远物体被理想光学系统形成 的衍射图案中，第一暗环半径对出射光瞳中心 的张角为：
二、中心点亮度
光学系统存在像差时，其成像衍射的中心亮度（爱 里斑亮度）与不存在像差时衍射斑的中心亮度的 比值来表示光学系统的成像质量；这个比值称为
中心点亮度，用S.D.表示。
斯托列尔（K.Strehl）准则：当S.D. ≥0.8时，认 为光学系统的成像质量是完善的。
适用于：小像差光学系统，计算复杂。
第四节 光学传递函数评价成像质量
把物平面分解成无限多个物点 物面图形的分解
第三章-波像差、光学系统像差容限与像质评价-修改1PPT课件
)6
当对边光校正球差时，0.707带光有最大剩余球差。
若离焦，使图中三部分面积相同，则应轴向离焦
3 4
L' 0.707
W S 112 L 此时
n'hm2 2 f '2
OAB
n'hm2 2 f '2
' 0.707
显然，同样满足瑞利判据，允许的剩余球差要大得多。
5
（3）若再有三级以上球差，则像差平衡的原则是： 尽可能离焦后有多个大小相等、符号相反的小面积
（1） 几何意义：
这一般是由两个曲线图构成图中 左边的是像散场曲曲线，右边的 是畸变，不同颜色表示不同色光， T和S分别表示子午和弧矢量，同 色的T和S间的距离表示像散的大 小，纵坐标为视场，左图横坐标 是场曲，右图是畸变的百分比值。
（2）像差分析：
细光束场曲反映了不同视场点的细光束像点离开像面的位置变化，初 级细光束场曲跟视场的平方成正比，其对成象的影响，是使一平面物体 成一弯曲像面。细光束像散反映了子午和弧矢细光束像点（或子午与弧 矢弯曲像面）的不重合而分开的轴向距离。
9
（3）正弦差
osc
2n'
y
' 0
sin
U
' m
以上是小视场系统容限，以下是大视场系统容限
弧矢彗差
Ks
2n'
s
in
U
' m
（4）像散
x' 1倍焦深
n'
s
in
2
U
' m
（5）像面弯曲：在人眼调节范围之内
（6）畸变
y' 2 ~ 5%
y'
应用光学第八章 光学系统成像质量评价
色差（Chromatic aberration）
轴向色差（Axial chromatic aberration） 垂轴色差（Chromatic difference of magnification）
球差：不同孔径光线对理想像点的距离称为球差。
L' L'l'
符号规则：光线聚焦点在理想像点右方为正，左方为负。 通常用1.0，0.85，0.707，0.5，0.3孔径的球差来描述整个光束的结构。
球差的消除
球差的大小与物点位置和成像光束的孔径角有关。 球差的消除：
利用正、负透镜组合，可以消除球差。 非球面透镜
弧XS矢’ 。场表曲示：此弧光矢线光对线交对点交与点理B想S’离像理平想面像的平偏面离的程轴度向。距离 弧矢慧差：光线对交点BS’离开主光线的垂直距离KS’ 。表
示此光线对交点偏离主光线的程度，即弧矢光线相对于主 光线不对称的程度。 细想像光平束面弧的矢轴场向曲距：离当x光s’束。的宽度趋于零，其交点Bs’离理 轴外弧矢球差：不同宽度弧矢光线对的弧矢场曲和细光束 弧矢场曲之差。表示了细光束与宽光束交点前后位置的差。
8-9 光学传递函数
光学系统是一个空间不变的线性系统。
光学
分解
系统
合成
物面
物点
弥散斑
像面
假定每个弥散斑的形状相同，其光强度与相应物点的光强 度成正比。这样的系统我们称为空间不变的线性系统。
光学传递函数理论的出发点
分解
光学 系统
合成
物面强
光学设计基本理论
几何光学基本定理
光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次 折射或反射，其光程为极值。 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终 保持着与播面的正交性，且入射波面与出射波 面对应点之间均为定值。 折、反射定律、费马原理和马吕斯定律，三者 中任意一个可视为几何光学三个基本定律之一， 而另两个则为其推论。
球差（Spherical aberration） 彗差（Coma） 像散（Astigmatism） 场曲（Field Curvature） 畸变（Distortion） 色差（Chromatic aberration） ◦ 轴向色差（Axial） ◦ 垂轴色差（Lateral）
像差多项式
用波像差的幂级数展开式表示的像差：
初级（赛德尔）像差
球差
球差的校正
•
球差是轴上像差 • 一般情况与孔径成立放关 系（例如：一个特定的透 镜其像斑大小为0.01英寸， 如果口径缩小到1/2，像 斑大小为0.00123英寸。 通过改变透镜的弯曲度校正
•
•
通过增加透镜或正佳光角度 得到矫正
球差形成的像差曲线
F/2透镜的球差 F/2透镜的球差
推荐参考图书：
1.
M. Laikin, Lens Design, 2006, CRC Press, Fourth Edition
光学设计步骤
基点基面
基点基面
近轴光线追迹
近轴光线追迹
基本公式
基本公式
基本公式
拉氏不变量
拉氏不变量
拉氏不变量的应用
拉氏不变量的应用
从费马原理得出拉氏不变量
从费马原理得出拉氏不变量
正弦条件和赫歇尔条件
正弦条件和赫歇尔条件
正弦条件和赫歇尔条件
光学系统像质评价方法
光学系统像质评价方法那最直观的一种呢，就是星点检验法。
这就像是拿个小镜子去照星星，看星星在镜子里的成像情况。
如果成像清晰，像个完美的小亮点，那就说明这个光学系统还不错呢。
要是星星的像看起来模模糊糊的，或者周围有奇怪的光晕之类的，那这个光学系统可能就有点小毛病啦。
这就好比一个人脸上有脏东西，一眼就能看出来，很直接的一种判断方式哦。
还有分辨率检验法。
你可以想象成看一幅超级复杂的画，画里有好多密密麻麻的线条和小图案。
如果光学系统好，那这些小细节就能看得清清楚楚的，就像你有一双超级锐利的眼睛。
要是分辨率不行呢，那些小线条就会糊成一团，就像近视眼没戴眼镜看东西一样。
这能反映出光学系统分辨微小物体的能力呢。
调制传递函数（MTF）法也很厉害哦。
这个有点像给光学系统打分啦。
它能告诉我们这个系统在不同空间频率下的成像质量。
简单说呢，就像是看这个光学系统在处理简单图案和复杂图案时的表现。
如果MTF的值比较高，那就说明这个光学系统在传递图像信息的时候很靠谱，就像一个很负责的快递员，能把包裹完好无损地送到目的地。
要是MTF值低，那图像的信息可能在传递过程中就丢三落四的啦。
波像差法也不能少呀。
它是从波前的角度来看待像质的。
就好比看水面上的波浪，如果波浪很规则，那成像就会好。
要是波浪乱七八糟的，那像质肯定就受影响啦。
这个方法就像是从根源上去找像质不好的原因，看是哪个环节让波前变得不那么听话了。
像差曲线法呢，就像是给光学系统的像差画个像。
通过这个曲线，我们能很清楚地看到像差是怎么分布的。
就像给光学系统做个体检报告，哪里有问题，从曲线里就能看个大概。
第八章光学系统的像质评价和像差公差
第八章光学系统的像质评价和像差公差光学系统的像质评价和像差公差是光学设计中非常重要的内容，对于确保光学系统的成像效果和减小像差具有重要意义。
本文将从像质评价和像差公差两个方面进行详细介绍。
第一部分：像质评价在光学系统设计中，像质评价是衡量系统成像效果好坏的一项重要指标。
像质评价可以通过不同的参数来进行，如分辨率、畸变、像场曲率等。
1.分辨率：分辨率是指系统能够分辨出最小细节的能力。
在光学系统中，分辨率受到折射率、孔径、波长等因素的影响。
分辨率的提高可以通过增加系统的孔径、减小像散等方法来实现。
2.畸变：畸变是指光学系统成像时图像相对于参考图像的形变情况。
主要分为径向畸变和切向畸变两种。
径向畸变是指图像中心与边缘的变形情况，切向畸变是指图像的扭曲情况。
畸变的产生主要是由于光学元件的形状和定位误差导致的，可以通过优化元件设计和加强装配精度来减小畸变。
3.像场曲率：像场曲率是指光学系统各个像点的焦距随着物距的变化情况。
如果像场曲率过大，会导致成像不清晰，失去焦点。
可以通过调整透镜曲率半径、引入焦点平面等方法来改善像场曲率。
第二部分：像差公差像差是指光学系统成像时图像与理想像之间的差异，它是光学系统中不可避免的问题。
为了减小像差，需要对光学系统进行像差公差的设计和控制。
1.球面像差：球面像差是由于透镜表面的曲率或者抛物率与光线的入射角度不匹配导致的成像失真。
可以通过优化透镜表面形状和选择合适的材料来减小球面像差。
2.形状像差：形状像差是光学元件的形状不规则或者安装位置偏差导致的成像失真。
可以通过优化元件设计和加强装配精度来减小形状像差。
3.色差：色差是指透镜对不同波长的光具有不同的折射率，从而导致颜色偏差。
色差主要分为色散和像散两种。
色散是指透镜对不同波长的光具有不同的聚焦效果，像散是指不同波长的光成像位置不一致。
可以通过使用多片透镜组合、引入补偿透镜等方法来减小色差。
在光学系统设计中，像质评价和像差公差是重要的内容，对于确保系统的成像效果和减小像差具有重要意义。
(光学测量技术)第7章光学系统像质检验与评价
第7章 光学系统像质检验与评价
一、 检验光学系统的共轴性 检验前，应调节待测系统光轴与平行光管光轴准确一致。 在此基础上，用白光照明，如果所观察到的衍射环不同心， 或同一环上光能分布不一致，或颜色不一样，则表明待测系 统的共轴性遭到破坏。共轴性检验在多组分离物镜的装配过 程中使用最多，也非常重要，由此可将各组间的光轴调到严 格同轴。
为了便于观察，一般取人眼的分辨角 α =2 ' ~4 ' ，代入上式 则有
当显微镜的数值孔径选定后，其垂轴放大率 β 也就确定 了。因此，只要合理选择目镜的放大率，即可满足显微镜总 放大倍率的要求。
第7章 光学系统像质检验与评价
三、 前置镜参数的选择 若对望远系统或其它平面光学元件做星点检验，则应采 用前置镜进行放大观察。对前置镜除要求像质好外，还应使 其入瞳直径大于待测系统出瞳直径，放大率满足人眼分辨星 点像细节的要求。第一、二衍射亮环经待测望远系统后的角 距离 Δ θ' =Δ θΓ =1.044 λ / D' 。显然，前置镜放大率应为
第7章 光学系统像质检验与评价 上式所代表的几何图形及各量物理意义如图 7.1 所示。
图 7.1 衍射受限系统参量与艾里班光强分布
第7章 光学系统像质检验与评价
艾里斑是由中央亮斑及若干亮度迅速减弱的同心外环组 成的。艾里斑各极值点的相关数据见表 7－1 。
第7章 光学系统像质检验与评价
计算表明，理想星点像的光强分布不仅是轴对称的，而 且最佳像面前、后对称截面上，其星点衍射像的光强分布也 是对称的。
第7章 光学系统像质检验与评价 7. 1. 2 星点检验装置
对于透镜型的光学系统或零件，星点检验的装置主要由 焦面上装有星孔光阑的平行光管和观察显微镜组成，如图 7. 2 所示。
光学系统成像质量评价
引言
如果光学系统成像符合理想，则各种几何像差都等于零 ，由同一物点发出的全部光线均聚交于理想像点。根据光线 和波面的对应关系，光线是波面的法线，波面为与所有光线 垂直的曲面。在理想成像的情况下，对应的波面应该是一个 以理想像点为中心的球面——理想波面。
如果光学系统成像不符合理想，存在几何像差，则对应的 波面也不再是一个以理想像点为中心的球面。
➢ 因此用分辨率来评价光学系统的成像质量也不是一种严 格而可靠的像质评价方法，但由于其指标单一，且便于 测量，在光学系统的像质检测中得到了广泛应用。
四、点列图
• 在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经 光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面的交点 不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥 散图形，称之为点列图。在点列图中利用这些点的密集 程度来衡量光学系统的成像质量的方法称之为点列图法 。
三、分辨率
S1 S2
S1 S2
S1 S2
可分辨 恰可分辨 不可分辨
100% 75%
三、分辨率
➢ 分辨率作为光学系统成像质量的评价方法并不是一种完 善的方法，这是因为光学系统的分辨率与其像差大小直 接有关，即像差可降低光学系只与系统的相对孔径（即衍射现像）有关，受像差 的影响很小。
四、点列图
一要注意下方表格 中的数值，值越小 成像质量越好。
二根据分布图形的 形状也可了解系统 的几何像差的影响 ，如，是否有明显 像散特征，或彗差 特征，几种色斑的 分开程度如何
四、点列图 点列图特点
大量光路计算，只有利用计算机完成； 形象直观的评价方法； 应用于大像差的照相物镜等设计中；
光学系统成像质量评价
2020年4月24日星期五
提纲
引言
光学系统的像质评价和像差公差
科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON2008N O .12SC I ENCE &TEC HN OLO GY I NFO RM ATI O N学术论坛1瑞利判断和中心点亮度1.1瑞利判断定义：实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过4/λ时，此波面可看作是无缺陷的。
优点：便于实际应用缺点：不够严密。
适用范围：是一种较为严格的像质评价方法，适用于小像差光学系统。
1.2中心点亮度1)中心点亮度：光学系统存在像差时，其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差时衍射斑的中心亮度之比S.D 来表示光学系统的成像质量。
2)斯托列尔准则：当S.D ≥0.8，认为光学系统的成像质量是完善的。
3)适用范围：是一种高质量的像质评价标准，适用于小像差光学系统。
4)缺点：计算相当复杂，很少作为计算评价方法使用。
2分辨率分辨率反映光学系统分辨物体细节的能力，是一个很重要的指标参数，故也可用分辨率作为光学系统的成像质量评价方法。
2.1分辨率基本公式根据衍射理论，光学系统的最小分辨角为Δθ：Δθ=1.22λ/D对不同类型的光学系统，可由上式得到不同的表示形式。
2.2缺点1)只适用于大像差光学系统；2)与实际情况存在差异；3)存在伪分辨现象.故用分辨率来评价光学系统的成像质量也不是一种严格而可靠的评价方法。
2.3优点其指标单一，便于测量，在光学系统像质检测中得到广泛应用。
3点列图3.1点列图定义在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面的交点不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散图形，称为点列图。
3.2适用范围适用于大像差光学系统。
照相物镜的像质评价：利用集中30％以上的点或光线所构成的图形区域作为其实际有效的弥散斑，弥散斑直径的倒数为系统的分辨率。
3.3优缺点优点：简便易行，形象直观。
缺点：工作量非常大，只有利用计算机才能实现。
07光学系统成像质量评价
07光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价是指对光学系统的成像效果进行客观评估和定量描述。
光学系统成像质量是指光学系统对物体的成像能力，即像质的好坏。
好的光学系统成像质量表现为高分辨率、高对比度、低像差等特点。
成像质量评价主要包括分辨力评价、像差评价和对比度评价等。
分辨力是评价光学系统成像质量的重要指标之一、它是指能够分辨清晰的最小细节的能力。
分辨力的大小与光学系统的光学特性、入射光的波长、传感器的像素大小等有关。
常用的分辨力评价方法有MTF （Modulation Transfer Function）方法和空间频率方法。
MTF是光学系统传递像差的度量，通过测量光系统对一定空间频率的输入信号的传输量来表示光学系统对物体微细特征的分辨能力。
空间频率方法则是通过分析物体不同空间频率成分的能量来评价分辨能力。
像差评价是针对光学系统中各种像差对成像质量的影响进行评价。
光学系统中常见的像差包括球差、散光、像散、畸变等。
球差是由于球面透镜成像能力不完全而产生的像差，它导致透镜焦距与入射光位置有关。
散光是由于透镜折射率随距离而变化引起的像差，散光会导致成像点模糊。
像散是在光学系统中，不同波长的光会聚焦在不同位置形成不同的像点，从而导致色差。
畸变则是指光学系统成像时物体真实尺寸与其等效尺寸之间的变化。
像差评价的方法很多，包括通过测试物体进行目测、使用CCD 相机进行像差测量等。
对比度评价是用来描述光学系统成像能力的指标之一、对比度是指在光学系统中被成像物体的亮度差异。
对比度的好坏会直接影响到物体的细节清晰度和图像的视觉效果。
对比度评价的方法多样，可以通过测量物体亮度的标准差、计算图像的峰值信噪比等方法来评价对比度。
总之，光学系统成像质量评价可以通过分辨力评价、像差评价和对比度评价等方法来进行。
这些方法可以客观地评估光学系统成像质量的好坏，为光学系统设计和优化提供依据。
应用光学_09
§9-4 光学传递函数
一、光学传递函数的基本概念
将物体看作是由不同空间频率、对比度和位相的正弦光栅组成, 认为光学系统是一个空间的线性不变系统，物体的像就是这些 不同频率和对比度的正弦光栅的像的光能分布综合的结果。 物体的成像过程：经过系统传递后，光栅频率不变，但对比度 下降，位相发生平移，并在某一频率处截止(对比度为0)。 这种对比度的降低程度和位相的平移量随空间频率的不同而异, 其函数关系称为光学传递函数(Optical transfer function, OTF)。 设空间周期为T的一维正 I T 弦光栅的光能分布为： Ia I ( x) I 0 I a cos 2x I0 Imax 式中：I0为均匀的背景亮度 I0 (平均光强)，Ia为正弦分布的 Imin 振幅，=1/T，显然： 0 x
纵坐标：包容圆所 包含的归一化能量 (像点总能量为1)； 比中心亮度表达了 更多的信息, 应用广 泛。
§9-2 分辨率
分辨率反映光学系统分辨物体细节的能力，是光学系统的重 要性能参数，在一定程度上反映了成像质量的好坏。
瑞利指出：光学系统能分辨的两个亮点间的距离等于艾里斑 的半径。即一个亮斑衍射图样中心与另一个的第一暗环重合 时，则这两个亮斑刚好能被分辨。 这时：Imax/Imin=1:0.735
Imax=I0+Ia I Imin=I0-Ia 按对比度的定义，有： I 0
T Ia
Ia Imax Imin Imin
I max I min I a M I max I min I 0
()
0
Imax
I0
于是：
I ( x) I 0 1 M ( ) cos 2x
中心点亮度与波像差的关系
第八章光学系统的像质评价和像差公式
第八章光学系统的像质评价和像差公式光学系统的像质评价和像差公式是研究光学系统成像质量的重要工具。
光学系统的像质评价主要通过像差公式来描述光学系统成像的误差，从而提供了评价光学系统成像质量的定量指标。
光学系统的像质评价可以从图像质量和像差两个方面进行。
图像质量是指图像的清晰度、对比度、分辨率等方面，是反映图像信息传递能力的指标。
而像差是指由于光学系统的结构、材料、制造等因素造成的光线偏差，导致图像不完美的情况。
像质评价的目标是通过对图像质量和像差的分析，得到一个综合的定量指标，从而评估光学系统的成像质量。
像差公式是描述光学系统成像误差的数学关系。
常见的像差公式有球差公式、彗差公式、像散公式、畸变公式等。
这些公式通过数学表达了光线经过光学系统后的成像位置与理想位置之间的差异，即描述了光学系统的误差情况。
这些公式的推导通常是基于几何光学的假设和光线传播的物理原理，可以对光线的传播路径进行建模和分析。
光学系统的像差公式一般可表示为：Δx=AΔy+B(Δy)²+C(Δρ)²+D(Δy)³+E(Δy)(Δρ)²+F(Δρ)³+...其中Δx是成像位置的偏差，Δy是入射光线的高度偏差，Δρ是入射光线的径向偏差。
A、B、C、D、E、F等系数则表示了不同像差的贡献程度。
不同的像差对成像质量的影响各不相同，有的像差会导致图像模糊、失真，有的像差会限制系统的分辨率等。
通过分析像差公式，可以得到不同像差与光学系统参数的关系。
这使得我们能够通过调整光学系统的设计参数来减小或消除像差，提高光学系统的成像质量。
例如，如果发现球差对成像质量的影响较大，可以通过改变光学系统的球面曲率来减小球差；如果发现像散对成像质量的影响较大，可以通过引入非球面透镜来减小像散。
像差公式为光学系统的设计和优化提供了理论基础和指导。
总结起来，光学系统的像质评价和像差公式是研究光学系统成像质量的重要工具。
光学设计基本理论
瑞利判据
焦深
光学传递函数
典型光学传递函数
光学传递函数
方孔时的MTF
分辨率模拟图解
做为中心遮拦函数的MTF
MTF与波前RMS的关系
各类波像差导致的MTF下降
几何像差：点列图（Spot Size）
像差曲线
几何像差：像差曲线
光程差和波像差
光程差介绍
光程差介绍
光学系统中的杂散光
近轴光学
近轴近似 基点基面 近轴光线追迹 基本公式 近轴参数 拉氏不变量
近轴近似
Snell Law：
n sin I = n’ sin I’ 近轴近似： n I = n’ I’
基点基面
基点基面
近轴光线追迹
近轴光线追迹
基本公式
基本公式
基本公式
拉氏不变量
拉氏不变量
光学设计基本理论
内容纲要
第一部分：成 像的几何理论
几何光学基 本定理
第二部分：像 差的几何理论
像差多项式
第三部分：像 质评价
衍射成像理 论 光学传递函 数
第四部分：光 学系统设计
光学系统的 基本要求 典型光学系 统 光学设计步 骤
近轴光学
单色像差
孔径和光阑
色差
几何像差
非球面、光 学材料
光程差、波 像差
◦ 一个共轴系统的每一种初级相差系数，是这个系统中各个面相应的像差系数值和
初级（赛德尔）像差
三级相差：与波像差的W4项相关联的 光线像差是坐标的三次方项
初级（赛德尔）像差
球差
球差的校正
•
球差是轴上像差 • 一般情况与孔径成立放关 系（例如：一个特定的透 镜其像斑大小为0.01英寸， 如果口径缩小到1/2，像 斑大小为0.00123英寸。 通过改变透镜的弯曲度校正
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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
SC ' li m Ks '/y '
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
t
A
s
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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’
t
A
s
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入瞳
光学系统
光屏
这种即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
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大孔径产生的球差
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加发散透镜消除球差
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球差
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2、彗差(轴外点宽光束)
了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
第六、八章 光学系统的相差理 论和像质量评价
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光学系统的像差 理想光学系统的分辨率 各类光学系统分辨率的表示方法
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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。
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。
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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： 球差 彗差(正弦差) 像散 场曲 畸变 复色光像差有两种： 位置色差(轴向色差) 倍率色差(垂轴色差)
-Umax A -U
hmax
h
L’ l’ δL’
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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δL’ 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δT’ 表示 它表示由轴向球差引起的弥散圆的半径 δT’= δL’ tanU’
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光学系统中对某一给定孔径 的光线达到δL’ =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。
0
10
h/hmax
0.85 0.7 0.5 0.3 0.2
δL’
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
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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，分 别称为子午彗差和弧矢彗差 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
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像面 入瞳 -KT’
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
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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
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By’
O D F
Ay’
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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 K’T>0 K’T<0
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： 像的清晰度，使成像的质量降低
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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(轴上点)
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对应孔径角Umax入射光线的高度hmax被称为全孔径（边 光球差） 对应孔径角U入射光线的高度h 若h/hmax=0.7，则称为0.7孔径或0.7带光（带光球差）
y
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3、像散(轴外点细光束) 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
t
A
s
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不同孔径的光线在像平面上形成半 径不同的相互错开的圆斑
C E A B
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By’
O D F
Ay’
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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
C E A B
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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
-Umax A -U
hmax h
L’ l’ δL’ A’
△y’
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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