工程光学 第六章 像差理论
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工程光学第6章光线的光路计算及像差理论
1：概述：2：单色像差：由于光线系统的成像均具有一定的孔径和视场，对不同孔径的入射光线其成 像的位置不同，不同的视场的入射光线其成像的倍率也不同，子午面和弧失 面光束成像的性质也不同。
故单色光成像会产生性质不同的5种像差。
色差：白光进入光学系统后，由于折射率不同而有不同的光程，导致了不同色光成像 的大小和位置也不相同，这种不同色光的成像差异称为色差。
波像差：由于衍射现象的存在，经过光学系统形成的波面已不是球面，实际波与理想波 的偏差称为~~，简称波差。
3：球差：远轴光线的光路计算结果L ’和U ’随入射高度h 1或孔径角U 1的不同而不同。
因此，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h （U) 的光线交光轴与不同位置，相对近轴像点有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向 球差，简称球差。
用'L δ表示。
'''l L L -=δ由于球差的存在，在高斯像面上的像点已不再是一个点，而是圆形的弥撒斑，弥 撒斑的半径用'T δ表示，称作垂轴球差，与轴向球差的关系'tan )''('tan 'U l L U L T -==δδ球差是入射高度h 1或者孔径角U 1的函数，球差随h 1或者U 1变化，可以有h 1或者U 1的幂级数表示，由于球差具有轴对称性，当h 1或者U 1变号时，球差'L δ不变，故不存在奇次幂；当h 1或者U 1为0时，''l L -=0，'L δ=0故无常数项；球差是轴上点像差，与视场无关，故展开式......'422211++=h A h A L δ或者......'422211++=U a U a L δ。
习题6-6：球面反射镜有几个无球差点？2个。
像几何像差：基于几何光波像差：基于波动关学 由于衍射存在，理想球面波成像后其波面已不是单色像色像由于折射率不同而有不同的光学系统的成像中入射光线的孔径，视场不同，子午面和弧度面光束成像的性质不同 球差彗差 像散 场曲 畸变 位置色差 倍率色差。
工程光学讲稿像差
n
n'( >n)
UA O A'
物点位于球面旳球心处，即 L=r此时物点
发出旳全部光线将沿球面旳法线方向入射
，即入射角I=0根据折射定律，折射角也
C
-U
A,A'
I'=0,光线无偏折地经过球面，像点也将位
于球心处，即L'=r。
(3) sinI’－sinU＝0，即I’＝U，因为
L0
sin I' n sin I / n' n(L r)sinU / n'r
§6－2 轴上点旳球差
一、 球差定义及表达措施
1、轴向球差
由实际光线旳光路计算公式知，当物距L为定值时，像距L’与入射高 度h1及孔径角U有关，伴随孔径角旳不同，像距L‘是变化旳，即如图所示：
轴上点A点发出旳光束，对于光轴附近旳光用近轴光路计算公式，像点为 A0’（看作高斯像点），对于实际光线采用实际光计算公式，成像于A’1 （实际像）。
(sin I (L-r)sinU r)
故可得： L （n Ln'） rn/nnn ' r
同I '理，U由sin I sUinU' '可得出
L ' 0A'
L' (n n')r / n'
I
-U AC
n
-I' n'( <n)
由上式拟定得共轭点，不论孔径角U多大，均不产生球差。由上式也可 得出，nL＝n’L’ ，则垂轴放大率β＝nL’/n’L=(n/n’)2
单色像差——光学系统对单色光成像时所产生旳像差。 几何像差： 球差、彗差、像散、场曲、畸变 。
色差——不同波长成像旳位置及大小都有所不同。
工程光学第6章
%轴外点主光线细光束光路计算 a=(1.51633*cos(I11)-cos(I1))/r1; T11=1.51633*cos(I11)*cos(I11)/a; S11=1.51633/a;
a=(1.6727*cos(I22)-1.51633*cos(I2))/r2;
D=(h1-h2)/sin(U11);
按实际光线计算，可得实际像高：
ya (La l) tanUa yz (Lz l) tanU z yb (Lb l) tanUb 四. 折射平面光路计算 I U 远轴光线 sin I n sin I / n
U I L L tanU / tanU
四. 折射平面光路计算
近轴光线
%第二近轴光线光路计算 D1=20; r1=62.5; r1=62.5;
r2=-43.65; r3=-124.35;
d1=4.0; d2=2.5; x1=r1-(r1^2-(D1/2)^2)^(1/2) %0.8052;
u1=-3*pi/180; l1=x1;
i1=(l1-r1)*u1/r1; i11=i1/1.51633; u11=u1+i1-i11;
l11=(i11*r1/u11)+r1; l1=l11-d1; u1=u11; i1=(l1-r2)*u1/r2; i11=1.51633*i1/1.67270; u11=u1+i1-i11; l11=(i11*r2/u11)+r2; l1=l11-d2; u1=u11 i1=(l1-r3)*u1/r3; i11=1.67270*i1/1; u11=u1+i1-i11%像方孔径角0.0521 l11=(i11*r3/u11)+r3%像方截距3.3814 y1=(l11-97.009)*u11%像高 5.2306 clear;
工程光学第六章像差理论.
几何像差分类
场曲 轴外点细光束 使像变形
畸变
(Deformation of image)
白光像差 位置色差(轴向色差：波长不同会聚点不同) (chromatic aberration) 倍率色差(垂轴色差：波长不同放大率不同)
基于物理光学：波象差(实际波面与理想球面波的偏差)。
第一节 概述
像差校正：
不同孔径的入射光线成像位置不同； 不同视场的入射光线成像倍率不同； 从而产生几何像差. 子午面和弧矢面的成像性质不同：
弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面。
1、像差定义 实际光学系统都有一定大小的孔径和视场，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、像的大小方面存在一定的差异。
n
1、轴上点远轴光线光路计算 A U
E
I
n
h
I
U
A
o
C
物点位于无穷远：sin I1 h1 r1 物点位于有限远：
r
L
L
轴上点远轴光线光路计算
AEC中，sin I (L r) sin U
r
在E点由折射定律：sin I n sin I
n UU I I
AEC中， L r(1 sin I )
2.反射面
反射面可以作为折射面的一个特例，只要令：nn
并令反射面以后光路的间隔d为负值即可。
第二节 光线的光路计算
二、轴外点沿主光线的细光束光路计算
此计算是沿主光线进行，主要研究子午面内的子午细光束和 在弧矢面内的弧矢细光束的成像情况.
子午面：物点（或主光线，即通过孔径中心的光线）所在并包 含光轴的平面。对于轴对称系统的轴上物点，它有无限多个子 午面。对于一给定的轴外物点，仅有一个子午面。
第六章像差理论
-ω f
照相系统视场角
1
第六章 像差理论
• §6-1 概述 • §6-2 轴上点的球差 • §6-3 彗差 • §6-4 细光束像散、场曲和畸变 • §6-5 色差 • §6-6 波像差
2
§6-1 概述
• 像差定义：实际像与理想像之间的差异。 • 几何像差的分类:
– 单色像差：光学系统对单色光成像时所产生的 像差。球差、彗差、像散、场曲、畸变
q yz yz y 100%
y y 20
一般畸变随视场增大呈单调变化，畸变为负时，实际像 高大于理想像高，放大率随视场增大而减小，得到桶形 畸变。 相反当畸变为正时，实际像高大于理想像高，放大率随 视场增大而增大，产生枕形畸变。 畸变是主光线的像差，不影响成像的清晰度，但会使像 产生变形。
为此作一B和球心C的辅助轴，则B点是辅助光轴上的一点，则三
条光线a、b、z对辅助轴相当于三条不同孔径角的轴上入射光线，
则它们在辅助光轴上存在球差且不相等。三条光线不能交于一点，
这样使得出射光线a′、b′不再关于主光轴z′对称。
10
则上下光线对的交点到主光线的垂直距离称为子午彗差。
如用个光线在像面上的交点值来表示，则子午彗差为：
11
彗差是轴外点以宽光束成像的一种失对称的垂轴像差，它随 视场的增大而增大，随孔径的增大而增大。彗差使像点变形 为一失对称的弥散斑。
主光线偏到弥散斑一边，在主光线与 像面交点处，积聚的能量最多，因此 最亮。在主光线以外能量逐渐散开， 慢慢变暗，因此弥散斑形成一个以主 光线与像面交点为顶点的锥形斑，其 形似彗星，因此称为彗差。
由于实际中的像散总是存在的，因此匹兹伐场曲总是附加在 子午场曲和弧矢场曲中。
场曲的存在使得实际像面是弯曲的，用垂轴像平面接收平面 物体的成像将无法获得整个视场的清晰，或是视场中心清晰 边缘模糊，或是边缘清晰中心模糊。
照相系统视场角
1
第六章 像差理论
• §6-1 概述 • §6-2 轴上点的球差 • §6-3 彗差 • §6-4 细光束像散、场曲和畸变 • §6-5 色差 • §6-6 波像差
2
§6-1 概述
• 像差定义：实际像与理想像之间的差异。 • 几何像差的分类:
– 单色像差：光学系统对单色光成像时所产生的 像差。球差、彗差、像散、场曲、畸变
q yz yz y 100%
y y 20
一般畸变随视场增大呈单调变化，畸变为负时，实际像 高大于理想像高，放大率随视场增大而减小，得到桶形 畸变。 相反当畸变为正时，实际像高大于理想像高，放大率随 视场增大而增大，产生枕形畸变。 畸变是主光线的像差，不影响成像的清晰度，但会使像 产生变形。
为此作一B和球心C的辅助轴，则B点是辅助光轴上的一点，则三
条光线a、b、z对辅助轴相当于三条不同孔径角的轴上入射光线，
则它们在辅助光轴上存在球差且不相等。三条光线不能交于一点，
这样使得出射光线a′、b′不再关于主光轴z′对称。
10
则上下光线对的交点到主光线的垂直距离称为子午彗差。
如用个光线在像面上的交点值来表示，则子午彗差为：
11
彗差是轴外点以宽光束成像的一种失对称的垂轴像差，它随 视场的增大而增大，随孔径的增大而增大。彗差使像点变形 为一失对称的弥散斑。
主光线偏到弥散斑一边，在主光线与 像面交点处，积聚的能量最多，因此 最亮。在主光线以外能量逐渐散开， 慢慢变暗，因此弥散斑形成一个以主 光线与像面交点为顶点的锥形斑，其 形似彗星，因此称为彗差。
由于实际中的像散总是存在的，因此匹兹伐场曲总是附加在 子午场曲和弧矢场曲中。
场曲的存在使得实际像面是弯曲的，用垂轴像平面接收平面 物体的成像将无法获得整个视场的清晰，或是视场中心清晰 边缘模糊，或是边缘清晰中心模糊。
第六章像差理论
轴外点发出充满入瞳的一束光，这束光以通过入瞳中心的
主光线为对称中心，其中包含主光线和光轴的平面称为子
午面。过主光线且垂直于子午面的平面为弧矢面。显然子
午面是光束的对称面。
9
对子午面的情况：主光线Z和一对上下光线a、b，折射前， 上下光线与主光线对称，折射后，上下光线对不再对称于主 光线，它们的交点偏离了主光线。
14
弧矢 子午像点和弧矢像点 像面 都位于主光线上，通
子午 常可将子午像距和弧 像面 矢像距投影到光轴上，
像平 则像散表示为：
面
主光 线
xts lt ls
15
像散的存在使轴外物点的成像在子午方向和弧矢方向各 有不同的聚焦位置。子午方向的光线聚焦成垂直于子午 面的短焦线T′，而弧矢方向的光线聚焦成子午面内的短 焦线S′，两焦线之间是一系列由线到椭圆到圆再到椭圆 再到线的弥散斑变化。 因此，接收器在像方找不到同时能使各个方向的线条都 清晰的像面位置。
xt lt l
xs
ls
l
有像散必然有场曲，但如果没有像散存在，像面弯曲现
象也会因球面光学系统的本身特性而存在。
球面 物体
折射 球面
理想像 平面
17
根据物像同向移动的原则，B的像点进一步偏离理想像平面 P′，这种偏离随视场的大小而变化，使得垂直于光轴的平面 物体经球面成像后变得 弯曲，这种弯曲还没有考虑像散的 影响，把像散为0时的像面弯曲称为匹兹伐场曲。
Lm A1hm2 A2hm4 0 A1 A2hm2
L
h
2A1h 4A2h3
0
h 0.707hm
此时，在0.707孔径处的光线具有最大剩余球差。校正球
(工程光学教学课件)第6章 光线的光路计算及像差理论
无像质要求系统：
(1)
有像质要求的一般系统：
(1)、(2)
有像质要求的大视场系统： (1)、(2)、(3)
有像质要求的大视场、大孔径系统：(1)、(2)、(3)、(4)
光线光路的计算主要有三类：
✓子午面内的光线光路计算 ✓沿轴外点主光线的细光束像点的计算 ✓子午面外光线或空间光线的计算
子午面内的光线光路计算
L' )tgU L' )tgU
' a
' z
Yb'
( L'b
L' )tgU
' b
B’b B’z
B’a
Y’b
Y’z Y’a
-U’a
P’ -U’z -U’b
O
A’o
--L’a
--L’b
--L’z --L’
3.折射平面和反射平面的光路计算
远轴光按大L公式进行计算：
sin I L r sin U r
补充：五、光学设计的一般过程和内容 (了解)
(1) 成像要求：基本类型，视场，观测方式，景深，渐晕， 分辨率，仪器尺寸，其它要求等；
(2) 建立理想 基本光组数量，焦距，成像光路，物像共轭距、 系统模型：物像四要素，反射棱镜(用平行平板表示)等；
(3) 构造基本 按最低数量配置透镜，初步确定透镜的材料、 光学系统：形状、孔径、曲率半径等参数，配置必要光阑， 确定反射棱镜的形状和大小，其它器件等；
(4) 光线计算 以理想成像为标准，用光线理论进行实际光线 求 像 差：的光路计算，以确定各类像差；
(5) 像质评价：按照系统像质要求，确定主要和次要像差， 并进行像差评价和分析，研究改善方案；
修正设计：通过对系统各类参数的调整和增加透镜，重复 前面(3)、(4)步骤，逐渐校正像差，最终达到 系统的像质要求。
工程光学-第6章 光线的光路计算及像差理论
第六章 光线的光路计算及像差理论
前后折射面过渡公式
′ −1 − d k ′ −1 ⎧lk = lk ⎪ ′ −1 ⎨uk = uk ⎪n = n′ k −1 ⎩ k
前后折射面校对公式
⎧h = lu = l ′u′ ⎨ ⎩nuy = n′u′y′ = J
系统焦距
′ = f ′ = h1 / u ′ l1 = ∞, u1 = 0 → lk
（1）无穷远处物体
第六章 光线的光路计算及像差理论
轴外点与轴上点的重要区别 光束相对于主光线失去了对称性
第六章 光线的光路计算及像差理论
（1）无穷远处物体 初始数据
上光线U a = U z , La = Lz + h / tan U z ⎫ ⎪ 主光线U z = ω , Lz ⎬ 下光线U b = U z , Lb = Lz − h / tan U z ⎪ ⎭
第六章 光线的光路计算及像差理论
2、目视光学系统 人眼响应波段：380~760nm 最灵敏波长：555nm 校正单色差：e光λ=546.1nm 校正色差：F光λ=486.1nm和C光λ=656.3nm 选择光学材料 nD , vD = ( nD − 1) / ( nF − nC ) 3、普通照相系统 一般照相乳胶对蓝光较灵敏,具体应根据实际照相底片参数而定 校正单色差：F光λ = 486.1nm 校正色差：D光λ=589.3nm和G′光 λ =434.1nm ′ − nD ) 选择光学材料 nF , vF = ( nF − 1) / ( nG
3、球差是入射高度和孔径角的函数（偶次）
重复轴上点远轴光线计算步骤 可得实际高
第六章 光线的光路计算及像差理论
（2）有限远处物体
初始数据
上光线 tan U a =(y - h)/(Lz - L),La = Lz + h/ tan U a ⎫ ⎪ 主光线 tan U z =y/(Lz - L),Lz ⎬ 下光线tanU b =(y + h)/(Lz - L),Lb = Lz + h/ tan U b ⎪ ⎭
工程光学第六章像差理论重点讲解
校对公式：
h lu lu nuy nuy J
最后可计算出像点位置和系统各基点位置。
焦点位置及焦距计算：l1 , u1 0
f ' h1 / u'k
2、轴外物点近轴光线光路计算（第二近轴光线）
仍用近轴光线光路计算公式和校对公式,所有量均注以下标z.
已知：物方物位、入瞳位置和物高，即 l, lz , uz 。 求解：像方物位、出瞳位置和像高，即 l, lz , uz 。
i
l
r
r
u（当l1
时， u1
0，i1
h1
/
r1）
i' n i
n'
u' u i i'
l' r(1 i' )
u'
l' n'lr
n'l n(l r)
第二节 光线的光路计算
对于有k个面的折射系统，需利用根据过渡公式：
过渡公式：
lk lk1 dk 1 uk uk 1 nk nk 1
对于小视场的光学系统，例如望远物镜和显微物镜等，只 要求校正与孔径有关的像差，所以只需计算上述第一种光线。 对大孔径、大视场的光学系统，如照相物镜等，要求校正所 有像差，所以需要计算上述三种光线。
第二节 光线的光路计算
由已知条件：
光学系统的结构参数（r,d,n）
物体的位置和大小 入瞳的位置和大小
解决问题：
第一节 概述
像差校正：
在实际光学系统中，各种像差是同时存在的，像差 影响光学系统成像的清晰度、相似性和色彩逼真度等 ，就降低了成像质量。故像差的大小反映了光学系统 质量的优劣。
除了平面镜成像以外，没有像差的光学系统是不 存在的。完全消除像、色差是不可能的，针对光学系 统的不同用途，只要把像、色差降低在某范围内，使 光接收器不能分辨，或者说这种差别只要能骗过光接 收器，就可以认为是理想的。
第六章 像差理论与像质评价
4. 弧矢彗差：点BS′到主光线的垂直 于光轴方向的距离为弧矢彗差，以 KS′表示。
弧矢面光线的结构特点: 由于系统像差的存在,对称于主光线两侧的”弧矢光线对”, 经系统后交点必然在子午面上,但不在主光线上,也不在理 想像面上 正彗差：彗星头朝向光轴负彗差：彗星尾巴朝向光轴
§6－2 正弦差
1. 正弦条件(不晕成像)：轴上点及近轴外点均理想成像
4）i ′=u，满足物象齐明条件：
L
n n r n n n L r n
§ 6－3 象散和像面弯曲
一、象散
astigmatism
1. 轴外点无限细光束通过光 学系统时，无彗差。有象散、 场曲。 Bt′— 轴外点B的子午像 Bs′— 轴外点B的弧矢像 沿主光线方向的距离Bt′Bs′是光学系统的象散。在光学设计中一 般以在光轴上的投影来量度光学系统的象散值，以xts′表示。
XS’称为弧矢曲，KS’称为弧矢彗差，xs’称为细光束弧矢场曲， δLT’＝XS’-xs’为宽光束和细光束弧矢场曲之差，与轴上点球差 类似，也称为轴外弧矢球差。
§ 6－2 彗差
Coma
产生原因
轴外物点发出子午光束，由于存在球差的影响，各个光线不 能交于一点，即在折射前主光线是子午光束的轴线，但折射后 不再是光束的轴线，光束失去了对称性。 用上、下光线的交点到主光线的垂直于光轴方向的偏离来表 示这种光束的不对称，称为子午慧差。
第六章 光学系统的像差和像质评价
像差概念：
实际光学系统所成的像和近轴区所成的高斯像（理想像）之间的差异。
球差
monochromatic aberration
单色光像差
彗差 象散 场曲
Unclear image
Spherical Coma
工程光学第六章光线光路计算及像差理论
I
U ; sin I '
n sin I n'
U '
I '; L'
L
tgU
tgU
当角U很小时，用上式计算不够精确，宜把正切改
为余弦
L L tgU
L sinU cosU L ncosU
tgU cosU sinU n cosU
2、 近轴光计算公式：
则
L ' L ' l '
即为轴向球差的大小。 当δL′=0时，称这种光学系统为消球差系统。
大孔径产生的球差
P
P• P•
L l
Lm
Lm l
L L l
L<0 负球差（凸透镜）（出射光束是会聚光束）
L >0 正球差（凹透镜）（出射光束是发散光束）
一、
1、
A
-U1
-Y
-Uz1
-L1
Lz1
入瞳
当物体位于无限远时，l1 时，
uz1 1 为已知。
2、
当U 0时，sin I h
r
轴外点初始数据为
轴外物点发出的主光线及上、下光线的初始数据为 入瞳半径可由下式确定 (Lz L)tgU
差，把像差校正到某一公差范围内,使成像质量达 到技术要求；同时了解各种像差的现象、产生原 因、光束结构、减小像差的措施。
第二节 光线的光路计算
光线光路的计算主要有三类：
子午面内的光线光路计算 轴外点沿主光线的细光束像点的计算 子午面外光线或空间光线的计算
对于小视场的光学系统，例如望远物镜和显微物 镜等，只要求校正与孔径有关的像差，所以只需计 算上述第一种光线。对大孔径、大视场的光学系统， 如照相物镜等，要求校正所有像差，所以需要计算 上述三种光线。
第六章.像差(工程光学)第二讲
k 1
SIII
（6-52）
（1）由像散分布式可知，对单个折射球面而言，没有正弦差
子午场曲：
xt'
lt'
l
'
t
'
sU
' z
x
l
'
弧矢场曲：
xs'
ls'
l'
s'
cosU
' z
x
l'
（6-44）
4、场曲的性质
★ 细光束的场曲与孔径u（或入射高度h）无关，只是视场ω （y）的函数。
★ 视场为零，则场曲为零。
5、场曲的幂级数表达式
x' t(s)
A1 y 2
A2 y4
A3 y6
（6-45）
SIV J 2 (n'n)/nn'r
J 为拉赫不变量
（6-46） （6-47） （6-48） （6-49）
二、像散
1、场曲与像散的关系
图610(b)
★ 图6-10(b)表示细光束子午场曲和弧矢场 曲的像差曲线。随着视场的增大．场曲和像 散迅速增大。这是因为场曲和像散随视场的 平方倍（初级）和四次方倍（高级）增大。
（6-40）
比较式（6-34）和（6-40），得彗差与正弦差的关系为：
OSC' Ks' / y'
（6-41）
彗差是轴外像差之一，它破坏了轴外视场成像的清晰度。
彗差值随视场的增大而增大，故对大视场的光学系统，必须校 正彗差。若光阑通过单折射面的球心，则不产生彗差。
后面将要论述，有些光学系统，不仅不产生彗差，其轴外点的
只能要求其成像光束结构与轴上点成像光束结构相同，也就是 说，轴上点和近轴点有相同的成像缺陷，称为等晕成像。欲满 足等晕成像的要求，光学系统必须满足等晕条件，即
像差理论
70
-0.85
-0.68
在保证光焦度不变的情况下，可以通过增加透镜的 折射率来增大球面的曲率半径，因为选择高折射率 的材料有利于减小球差。
第一节 轴上点球差
1 2 在材料选定后，要保证透镜的光焦度， 2 也随之变 必须为定值。保持该定值，如果改变 1 ， 化，使得透镜的形状发生改变。或者说，同一光焦度 的透镜可以有不同的形状。这种保持焦距不变而改变 透镜形状的做法，称为透镜弯曲。 以物体在无穷远为例，图6-9给出了透镜不同形状下的 球差变化曲线。可以看出，无论是正透镜还是负透镜， 都存在一个最小球差的形状，称为透镜最优形式。
K S ' Ya 'YZ ' Yb 'YZ '
（6-8）
式中各符号的意义与式（6-7）类似。
第二节 慧差
慧差是轴外物点以宽光束成像的一种失对称的垂轴像差，除了 子午和弧矢两个截面外，其它截面也都有不同形式的失对称。 如果入瞳为一圆环，轴外点进入系统的光线就是以物点为顶点、 以主光线为对称中心的圆锥面光束，不同的孔径对应于不同大 小的光锥。此光束经系统后，由于存在慧差，不复为对称于主 光线的圆锥面光束，也不再会聚于一点，它与高斯像面相交成 一封闭的复杂曲线，曲线的形状对称于子午面。光锥角度越大， 失对称的程度也越大。整个入瞳可以看成由无数个大小不等的 圆环组成，由轴外物点发出的所有通过这些圆环的圆锥面光束， 经系统后在高斯像面上截得大小不等、形状不一、并在垂轴方 向上相互错开的封闭曲线，最终叠加成一个形状复杂、对称于 子午面的弥散斑。
第二节 慧差
再看弧矢面的情况，图6-13所示的是物点B以弧矢光线 成像的立体图，弧矢面内有一对前、后光线c、d，它 们对称于主光线，因此也对称于子午面，因此，成像 后的交点也必然在子午面内。这对光线在入射前虽然 对称于主光线，但是它们的折射情况与主光线不同。
工程光学：第六章_像差理论
n / n
3、不晕点（齐明点）
★ 物、像位置：
L (n n)r / n L (n n)r / n
I U
nL nL
nL / nL n / n2
应用：齐明透镜
4、消除球差的方法
（1）加光阑，选择近轴光束；
（2）正、负透镜组合进行校正；
（3）采用非球面透镜（如菲涅耳螺纹透镜）。
5、小结
高斯像面
A0
B B0
B KT
三、彗形像差（Coma，Comatic Aberration）
（1）像点位置的轴向偏离(球差)： ——表现在沿辅轴方向上。
（2）高斯像面上的垂轴变化：
所有光线在高斯面上仍不交于同一像 点，并且不是一个简单的弥散圆斑，而 形成彗形像差！
★ 透镜截面
B
高斯像面
A0
A
★ 子午面
BB0
★尖端亮点：近轴细光束与主光线的交点. B KT
2、彗差：轴外物点发出的宽光束，经过透镜不同环
带的光线束（不同孔径角），在高斯像面上形成一 系列大小不同、相互交叠的弥散圆斑；各圆斑中心 在一条直线上，与主轴有不同的距离；形成一个有 尖端亮点、如同彗星形状的像。
3、通常光学系统的彗形像差
4、物理意义
a. 球面像差； b. 彗形像差；
宽光束引起的
c. 像散； d. 像场弯曲； 远轴物、窄光束引起的 e. 畸变
2、几何像差
产生原因：
sin
2
5
7
3! 5! 7!
sin
近轴光学：理想成像
（2）色像差（Chromatic Aberrations）：
f. 位置（轴向）色差 g. 倍率（垂轴）色差
非单色物引起的 n n()
3、不晕点（齐明点）
★ 物、像位置：
L (n n)r / n L (n n)r / n
I U
nL nL
nL / nL n / n2
应用：齐明透镜
4、消除球差的方法
（1）加光阑，选择近轴光束；
（2）正、负透镜组合进行校正；
（3）采用非球面透镜（如菲涅耳螺纹透镜）。
5、小结
高斯像面
A0
B B0
B KT
三、彗形像差（Coma，Comatic Aberration）
（1）像点位置的轴向偏离(球差)： ——表现在沿辅轴方向上。
（2）高斯像面上的垂轴变化：
所有光线在高斯面上仍不交于同一像 点，并且不是一个简单的弥散圆斑，而 形成彗形像差！
★ 透镜截面
B
高斯像面
A0
A
★ 子午面
BB0
★尖端亮点：近轴细光束与主光线的交点. B KT
2、彗差：轴外物点发出的宽光束，经过透镜不同环
带的光线束（不同孔径角），在高斯像面上形成一 系列大小不同、相互交叠的弥散圆斑；各圆斑中心 在一条直线上，与主轴有不同的距离；形成一个有 尖端亮点、如同彗星形状的像。
3、通常光学系统的彗形像差
4、物理意义
a. 球面像差； b. 彗形像差；
宽光束引起的
c. 像散； d. 像场弯曲； 远轴物、窄光束引起的 e. 畸变
2、几何像差
产生原因：
sin
2
5
7
3! 5! 7!
sin
近轴光学：理想成像
（2）色像差（Chromatic Aberrations）：
f. 位置（轴向）色差 g. 倍率（垂轴）色差
非单色物引起的 n n()
工程光学 第六章 光线的光路计算及像差理论
第一节 概 述
二、像差计算的谱线选择
1、目视光学系统
目视光学系统的接收器是人的眼晴。只对波长在 380—760nm范围内的波段有响应，其中最灵敏的 波长555nm，
目视光学系统：
➢一般选择靠近此灵敏波长的D光(589.3nm)或e光 (546.1nm)校正单色像差。 因e光比D光更接近于 555nm，故用e光校正单色像差更为合适，
一、正弦差
➢ 正弦差用来表示小视场时宽光束成像的不对称性 。
➢ 垂直于光轴平面内两个相邻点，
➢一个是轴上点， ➢一个是靠近光轴的轴外点，
正弦条件
➢ 其理想成像的条件是:
nsyiU n n 'y'siU n '
一、正弦差 ➢ 当光学系统满足正弦条件时， ✓若轴上点理想成像，则近轴物点也理想成像， ✓即光学系统既无球差也无正弦差， ✓这就是所谓不晕成像。
工程光学 第六章 光线的 光路计算及像差理论
第六章 光线的光路计算及像差理论
第一节 概 述 第二节 光线的光路计算 第三节 轴上点球差 第四节 正弦差和彗差 第五节 场曲和像散 第六节 畸 变 第七节 色 差
第一节 概 述
一、基本概念
(1)近轴光学系统中： ➢根据精确的球面折射公式，导出在动
sina=a,cosa=1时的物像大小和位置，即理想光学 系统的物像关系式。一个物点的理想像仍然是一个 点，从物点发出的所有光线通过光学系统后都会聚 于一点。 ➢近轴光学系统只适用于近轴的小物体以细光束成像 。
➢同一光学介质对不同的色光有不同的折射率 ➢白光进入光学系统后，由于折射率不同而有不同的
光程， ➢这样就导致了不同色光成像的大小和位置也不相同
第一节 概 述
一、基本概念
工程光学第6章 像差概论
17
18
校正 • 光阑位置 • 同心原则 • 双分离透镜
19
§6.4 细光束场曲
一、场曲与轴外球差
子午像面：各视场的子午像点构成的像面。 弧矢像面：各视场的弧矢像点构成的像面。
像散和场曲
视场中心（轴上像点）：细光束理想成像，像散为0。 即子午像面、弧矢像面重合且与理想像面相切。
细光束的子午场曲和弧矢场曲计算公式：
• 色差分为位置色差和倍率色差两种。前者是由于不同波 长的光线会聚点不同而产生彩色弥散现象，后者是由于 镜头对不同波长的光的放大率不同而引起的。
31
一、位置色差 1.光学现象及数学表达式
2.
LF C LF LC
lF ClF lC
12 3
C D F
32
• 色差在近轴区也存在，所以它比球差更严 重地影响光学系统的成像质量。
轴上点球差
• 共轴球面系统：单透镜不能校球差，需正 负透镜组合。
• 齐明透镜 • 减小光阑直径
8
§6.2 彗差
子午面：光轴和主光线决定的面； 弧矢面：过主光线且与子午面垂直。
9
一、光学现象及定量表示： 1、光学现象
轴外物点在理想像面上形成的像点如同彗星状的光斑， 靠近主光线的细光束交于主光线形成一亮点，而远离主光线 的不同孔径的光线束形成的像点是远离主光线的不同圆环。
36
§6.7 像差综述
• 任何光学系统都有一定的孔径和视场，所 谓某种像差的校正，也仅是对一个孔径带 或一个视场点进行校正，如对轴上点球差 是对边缘光线进行校正，而对色差是对 0.707带光进行校正。
• 所谓像差校正也是将像差校正到相应的像 差容限内，而不可能使其都为零。
37
• 一般来说，七种像差中，球差、位置色差为轴上点 像差，其余为轴外点像差；球差、彗差、位置色差 属于宽光束像差，像散、场曲、畸变、倍率色差属 细光束像差。
18
校正 • 光阑位置 • 同心原则 • 双分离透镜
19
§6.4 细光束场曲
一、场曲与轴外球差
子午像面：各视场的子午像点构成的像面。 弧矢像面：各视场的弧矢像点构成的像面。
像散和场曲
视场中心（轴上像点）：细光束理想成像，像散为0。 即子午像面、弧矢像面重合且与理想像面相切。
细光束的子午场曲和弧矢场曲计算公式：
• 色差分为位置色差和倍率色差两种。前者是由于不同波 长的光线会聚点不同而产生彩色弥散现象，后者是由于 镜头对不同波长的光的放大率不同而引起的。
31
一、位置色差 1.光学现象及数学表达式
2.
LF C LF LC
lF ClF lC
12 3
C D F
32
• 色差在近轴区也存在，所以它比球差更严 重地影响光学系统的成像质量。
轴上点球差
• 共轴球面系统：单透镜不能校球差，需正 负透镜组合。
• 齐明透镜 • 减小光阑直径
8
§6.2 彗差
子午面：光轴和主光线决定的面； 弧矢面：过主光线且与子午面垂直。
9
一、光学现象及定量表示： 1、光学现象
轴外物点在理想像面上形成的像点如同彗星状的光斑， 靠近主光线的细光束交于主光线形成一亮点，而远离主光线 的不同孔径的光线束形成的像点是远离主光线的不同圆环。
36
§6.7 像差综述
• 任何光学系统都有一定的孔径和视场，所 谓某种像差的校正，也仅是对一个孔径带 或一个视场点进行校正，如对轴上点球差 是对边缘光线进行校正，而对色差是对 0.707带光进行校正。
• 所谓像差校正也是将像差校正到相应的像 差容限内，而不可能使其都为零。
37
• 一般来说，七种像差中，球差、位置色差为轴上点 像差，其余为轴外点像差；球差、彗差、位置色差 属于宽光束像差，像散、场曲、畸变、倍率色差属 细光束像差。
工程光学第6章
U I U I
s in I ' L ' r 1 s in U '
L'
n n' n'
r
nL ' n 'L
n n '
2
单折射球面的一对齐明点
6
显然这三个像点均与孔径角无关，故不产生球差。
6.1.2 单折射球面的齐明点
上述不产生球差的物点位置，称为齐明点，结合 1和3的两个齐明点位置可以构成无球差的齐明透镜。 如图6.5 所示为正、负齐明透镜。
一个轴外物点以细光束成像，被聚焦为子午和弧矢两个像，这种像
差我们称其为细光束像散。
28
§6.3 细光束像散
• 轴外点细光束，忽略宽光束的失对称
点像：T’处——子午焦线 S’处——弧矢焦线 其它处——椭圆、圆
T’ S’
B’
o B
T’
S’
29
直线成像： 直线在子午面内：子午像弥散，弧矢像清晰；
直线垂直子午面：子午像清晰，弧矢像弥散；
p'
表示。
B' B' 1 B' 0 A'
A C
B
B
1
图6-23像面弯曲
35
第四节 细光束场曲
在有一定视场的光学系统中，子午像面 t '、弧矢像面 s ' 和匹兹伐像面 p 各不重合，如图6-24所示，并且 t ' 面和 s ' 面总在 p 面的同侧，且 t ' 面比 s ' 面更远离 p 面。 由于 p 面是像散为0时的场曲，而一般情况下像散总是 存在的，因此匹兹伐面常不单独存在，而是附加在子 午场曲和弧矢场曲中，实际得到的只能是子午和弧矢 两个像面。 y/y y/m y m
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来自球面镜的球面像差
第三节 轴上点的球差
一、球差的定义和表示方法
1、球差的定义 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（孔径角）的光线交光轴于不同位置，即相对近轴理想像 点有不同程度的偏移---轴向球差，简称球差。
δL L l
L' 0
球差校正不足或欠校正
L' 0
球差校正过头或过校正 -δL’m
若该展开式中的高次项不忽略，就会出现不完善成像的情况—— 像差。这些高次项正是导致像差的原因。
不同孔径的入射光线成像位置不同； 不同视场的入射光线成像倍率不同； 从而产生几何像差. 子午面和弧矢面的成像性质不同：
弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面。
1、像差定义 实际光学系统都有一定大小的孔径和视场，远远超
本章重点是光学系统像差的基本概念、光学系统像差的 种类、初级单色像差
第一节 概述
第一节 概述
一、基本概念
在几何光学中，一个物点经折射面后不能够完善成像，但若把
光线限制在近轴范围内，即 ： sin , cos 1，则可认为
物点成理想的像点 ，但
sin 3 5 7
3! 5! 7!
sin U
过渡公式：Li Li1 di1
Ui Ui1 ni ni1
第二节 光线的光路计算
2.轴外点远轴光线的光路计算
由于光束的主光线不是光学系统的对称轴，在计算时，对 各视场原则上应选择11条光线，这只是在实际应用时这样做， 作为授课简化，只考虑3条具有代表性的光线，即：
上光线（入瞳上沿） 主光线（入瞳中心） 下光线（入瞳下沿）
2.反射面
反射面可以作为折射面的一个特例，只要令：n n
并令反射面以后光路的间隔d为负值即可。
第二节 光线的光路计算
二、轴外点沿主光线的细光束光路计算
此计算是沿主光线进行，主要研究子午面内的子午细光束和 在弧矢面内的弧矢细光束的成像情况.
子午面：物点（或主光线，即通过孔径中心的光线）所在并包 含光轴的平面。对于轴对称系统的轴上物点，它有无限多个子 午面。对于一给定的轴外物点，仅有一个子午面。
i
l
r
r
u（当l1
时， u1
0，i1
h1
/
r1）
i' n i
n'
u' u i i'
l' r(1 i' )
u'
l' n'lr
n'l n(l r)
第二节 光线的光路计算
对于有k个面的折射系统，需利用根据过渡公式：
过渡公式：
lk lk1 dk 1 uk uk 1 nk nk 1
第一节 概述
二、像差计算的谱线选择
1、基本原则 对光能接收器的最敏感谱线校正单色像差； （单色像差：选择接收器最灵敏的谱线）
对能接受的波段范围两端谱线校正色差； （复色像差：选择接收器能接收的波段范围的两边缘 附近的谱线校正）
尽量使光源辐射的波段与最强谱线、光学系统透过的 波段与最强谱线和接收器所能接收的波段与敏感谱线三 者对应一致。
第一节 概述
像差校正：
在实际光学系统中，各种像差是同时存在的，像差 影响光学系统成像的清晰度、相似性和色彩逼真度等 ，就降低了成像质量。故像差的大小反映了光学系统 质量的优劣。
除了平面镜成像以外，没有像差的光学系统是不 存在的。完全消除像、色差是不可能的，针对光学系 统的不同用途，只要把像、色差降低在某范围内，使 光接收器不能分辨，或者说这种差别只要能骗过光接 收器，就可以认为是理想的。
补充概念
❖概念1. 子午面、弧矢面
概念2 ：视场范围、光束宽度
第六章 光线的光路计算及像差理论
1 第一节 概述 2 第二节 光线的光路计算 3 第三节 轴上点的球差 4 第四节 正弦差和慧差 5 第五节 场曲和像散
6 第六节 畸变 7 第七节 色差 8 第八节 像差特征曲线与分析 9 第九节 波像差
a）无限远轴外物点：
上光线: 主光线:
Ua Uz
La Lz h / tan U z
Uz
Lz
L1
Ua
a
入瞳
h
Uz
P Ub
下光线: Ub U z
z
Lb Lz h / tan U z
b
La
LＺ
Lb
应用示例：望远物镜、摄影物镜
等
图6-2(a) 轴外点子午面内无限远处物点
远轴光线的光路计算
球差反映轴上点的像差，与视场角无关。
由于轴上点球差与视场无关，只是入射高度或孔径角
的函数，同时，由于球差的轴对称，当h和U变号时，
球差不变，所以在球差的级数展开式中不存在奇数项.
δL A1h12 A2h14 A3h16
或 δL a1U12 a2U14 a3U16 小孔径光学系统主要考虑初级
P
入 瞳
LＺ
Ub
Lb
图6-2(b) 轴外点子午面内有限远处物点 远轴光线的光路计算
若最后出射面光路如下图示，按轴上点远轴光线计算方法可
得三条光线与光轴交点对应实际像点，及不考虑球差时的理想
像面位置如下：
(La ,U a )
(Lz ,U z )
(Lb ,Ub )
l
a
Ua
U z
z
出瞳
O
Ub
Bb
Bz
Bo
球差
初级球差，初级球差系数 大孔径光学系统必须考虑高级 二级球差，二级球差系数 球差 三级球差，三级球差系数（二级以上球差称为高级球差）
第三节 轴上点的球差
孔径较小时，主要存在初级球差；大部分系统二级以上球差可忽略：
L A1h12 A2h14 L a1U12 a2U14
系统的球差也可以表示为每个面对球差的贡献之和---球差分布式：
远轴光线
sin I n sin I n
U I
近轴光线
L L tan U U角很小时把tan tan U 换成cos可提高计
反射面为折射面的特例。算精度。
折 射 平 面 光
A线
光 路 计 i u 算
i n i n u n n
u i
l u l n l u n
第二节 光线的光路计算
Ba yo
ya
yz
yb
Ao
b
Lb
Lz
La
l
实际各点像高： ya (La l) tan Ua
yz (Lz l) tan U z yb (Lb l) tan Ub
应用示例：显微物镜、 制版物镜、复印物镜等。
(三)折射平面和反射平面的光路计算
I
E1
E2
I
U
O1
O2
n n
L
U
A
L
I U
第二节 光线的光路计算
第二节 光线的光路计算
第二节 光线的光路计算
第二节 光线的光路计算
第二节 光线的光路计算
第三节 轴上点的球差
第三节 轴上点的球差
U m
••
• T
截距随孔径角而变化:
l ir r u
L r r sin I sinU
故轴上物点发出的光束，经光学系统后不能相交 于一点，而成弥散的圆形像斑的现象。称为球面像 差。
SI
SI luni(i i)(i u)
第三节 轴上点的球差
二、球差的校正
单透镜的球差特征 单正透镜产生负球差，单 负透镜产生正球差，且各自 自身无法单独消球差
计算举例
一望远物镜的焦距f’=100mm， 相对口径D/f’=1/5,视场角 2ω=6°,其结构参数如下：
r/mm 62.5 -43.65 -124.35
d/mm
4.0 2.5
nD
νD
1.51633 1.67270
0.00806 0.015636
试求该物镜的第一、二近轴光线成像特征和远轴光线成像特征， 以及主光线细光束成像特征。
n
1、轴上点远轴光线光路计算 A U
E
I
n
h
I
U
A
o
C
物点位于无穷远：sin I1 h1 r1 物点位于有限远：
r
L
L
轴上点远轴光线光路计算
AEC中，sin I (L r) sin U
r
在E点由折射定律：sin I n sin I
n UU I I
AEC中， L r(1 sin I )
第二节 光线的光路计算
第二节 光线的光路计算
对计算像差有特征意义的光线
选择对计算像差有特征意义的光线进行计算，一般：
（1）子午面内的近轴光线和实际光线计算；
理想像的位置和大小 实际像的位置和大小
有关像差值；
（2）轴外点沿主光线细光束光路计算； 以求像散和场曲；
（3）子午面外的空间光线的光路计算。 求空间光线的子午像差分量和弧矢像差分量，对光学 系统的像质进行全面的了解（比较复杂）
轴外点一般要求
对五个视场的物
A
点分别进行近轴
y
光线的光路计算。
B
uz y /(lz l) y uz (lz l)
入瞳
P1
P1 出瞳
B
u P
P
u
y
uZ P2
O1 O2
P2 uZ
A
lz l
lz
l
lz
l lz
l
轴外点(第二)近轴光线的光路计算
(二)远轴光线的光路计算---求出
实际像的位置和大小
使像模糊
(Unclear image)
几何像差分类
场曲 轴外点细光束 使像变形