工程光学 第六章 像差理论

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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)
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
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
a)有限远轴外物点: 已知视场角、入瞳半径和入瞳距,则3条光线的初始数据:
上光线: tanUa ( y h) /(Lz L)
La Lz h / tan Ua
主光线:
tan U z
Fra Baidu bibliotek
Lz
y
L
Lz
下光线:
yh tan Ub Lz L
Lb
Lz
h tan Ub
A
y
U
Ua
az
B
b
La
L
Uz h
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。
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!
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

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
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:
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:
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。
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 )
理想像的位置和大小
像差
轴上点近轴光线 轴外点近轴光线
实际像的位置和大小
轴上点远轴光线 轴外点远轴光线
第二节 光线的光路计算
一、子午面内的光线光路计算
(一)近轴光线光路计算 ————求出理想像的位置和大小 1.轴上点近轴光线光路计算(第一近轴光线光路计算)
轴上点近轴光的计算公式: 初始数据l1, u1
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
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
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
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。
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。
L
1
2nkuk sinU k
k 1
S
k
S
:光学系统球
差系数;
1
每个面上的球差分布系数
S
niLsinU (sin I sin I() sin I sinU) cos 1 (I U ) cos 1 (I U ) cos 1 (I I)
2
2
2
近轴区域,初级球差:
δL(初)
1 2nk uk2
k 1
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)
使像模糊
(Unclear image)
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)。
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
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
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 。
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
弧矢面:包含主光线并且垂直于子午面的平面。
子午平面
物点
透镜
主光线
弧矢平面 光轴
第二节 光线的光路计算
若子午光束和弧矢光束的像点 不位于主光线上的同一点,则 存在像散。
轴上点:子午面与弧矢面光线 分布一样 轴外点:弧矢光线对称于子午 面,子午面内光线光束的对称性 被破坏。
第二节 光线的光路计算
第二节 光线的光路计算
第六章 光学系统的光路计算和
像差理论
Engineering Optics
1
第六章 光线的光路计算及像差理论
实际光学系统与理想系统之间存在很大的差异,即物空 间的一个物点发出的光经实际光学系统后,不再成一理想 像点,而是一个弥散斑,实际像与理想像之间的差异称之 为像差。
本章主要介绍实际光学系统的单色像差和色差的基本概 念、产生像差的原因及校正像差的方法。
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。
物点对应的不是像点而是一个弥散斑,其与高斯光 学理想状况的偏差称为像差。
像差的大小反映了光学系统质量的优劣!
2、像差(aberration)分类
几何像差主要有七种
球差:轴上点宽光束
(monochromatic aberration) 彗差:轴外点宽光束 单色光像差 象散
L'm 0 称为消球差系统
第三节 轴上点的球差
由于球差的存在,在高斯像面上的像点已不是一个点, 而是一个圆形的弥散斑,弥散的半径称为垂轴球差。
T L tanU (L l) tanU
Um
U m
A
Ao
T
L l
Lm l
图6-4 轴上点球差
Lm
2、球差的表示方法
球差是入射高度h1或孔径角U1的函数; 球差性质: 球差具有对称性;
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。
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
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