光学系统的像差

理想成像的要求出入射光束为同心光束，只有近轴区成像才是理想成像。像差概念的导出实际光学系统中,存在着远轴区产生的实际像与近轴区产生的理想像之间的偏离。此时,从物体上任一点发出的光束通过光学系统后不能会聚为一点,而形成一弥散斑,使像不能严格地表现出原物体形状,这就是像差。实际光学系统中轴上点的成像单色像差球差——轴上点宽光束像差彗差——轴外点宽光束像差像散——轴外点细光束像差像面弯曲（简称场曲）畸变球差轴上物点以宽光束成像时产生的像差。不同孔径角的光线所成的像点相对于理想像点的位置偏离。由于此球差是沿光轴方向度量的，也称为轴向球差轴上物点的单色像差——球差此处光束截面最小理想像面位置正透镜球差图示理想像面位置弥散斑半径-T′-L′l′L′-lA-UU′球差的存在，使像面上形成一个弥散斑，其半径称为垂轴球差负透镜球差图示理想像面位置L′-l′-L′-lA-U-U′-T′球差轴上物点发出的宽光束经薄透镜后不再交于一点sss度量球差大小会聚透镜发散透镜可选取不同曲率的透镜或复合透镜消球差ssPPPLPPPSS影响球差的主要因素：随物方孔径角的增大而增大与透镜形状有关与焦距有关，焦距越长，球差越小轴外像差彗差——轴外点宽光束像差像散——轴外点细光束像差像面弯曲（简称场曲）畸变慧差P慧尾形的弥散像子午面由轴外物点B和光轴组成的对称面入瞳Bz弧矢面通过主光线和子午面垂直的面主光线：由轴外物点B发出并通过入瞳中心的光线入瞳Bz子午彗差：子午面上、下光线的交点BT′到主光线在垂直光轴方向的偏离，称为子午彗差，用符号KT′表示。Ba′Bz′Bb′abzBA入瞳KT′C弧矢彗差：弧矢面上前、后光线的交点BS′到主光线在垂直光轴方向的偏离，称为弧矢彗差，用符号KS′表示。畸变的产生对于一般实际光学系统来说，只有在近轴区垂轴放大率才是常数。当视场增大时，像的垂轴放大率便会随视场变化而异，这将会使像相对于原物失去相似性。这种使像变形的成像缺陷就称为畸变。如光学系统存在正畸变即实际像高大于理想像高，所成的像为枕形，负畸变则成桶形。畸变只引起变形，不影响像的清晰度桶形畸变枕形畸变像失真，但不影响像的清晰度（是由于垂轴放大率不同）.畸变光学系统对共轭面上不同高度的物体垂轴放大率不同产生畸变.正畸变负畸变物像畸变使像变形五、色像差用白光进行成像时，除了每种单色光仍会产生五种单色像差外，还会因不同色光有不同折射率造成的色散，而使不同的色光有不同的传播光路，从而呈现出因不同色光的光路差别而引起的像差，称之为色像差（简称色差）。色像差因性质不同而分为位置色差和倍率色差两种。•色差:位置（轴向）色差倍率（横向）色差位置色差是描述2种色光对轴上物点成像位置差异的色差。正透镜位置色差图示白光CFLFLC-LFCAAF′AC′轴上物点发出的大孔径光线不聚焦于一点P负透镜位置色差图示LFC-LC-LF-LA因色差的存在，轴上点成像是一个弥散斑，在a点和在c点看到的弥散斑颜色有何不同？123不同波长的光，焦距不同,像的位置不同．在1,2,3三截面上,形成的光环半径不同.近轴物近轴光线成像的色差色差严重影响光学系统成像性质，一般光学系统都必须校正色差。可以用正负透镜适当组合来校正位置色差。影响位置色差的主要因素：随孔径角的增大而增大与光学材料的折射率和色散率有关与透镜的焦距有关上排为位置色差，下排为球差，两者均为轴上像差倍率色差此是一种因不同色光成像的高度（也即倍率）不同而造成的像大小差异的色差。它是以两种色光（此即F光和C光）的主光线在高斯像面上的交点高度之差来度量，以符号YFC′表示之。倍率色差图示入瞳CFYFYC-YFCABF′BC′B倍率色差随视场的增大而增大，由于倍率色差的存在，使物体边缘呈现彩色，从而，造成白光所成的像呈现彩色斑。对于一般光学系统来说，球差、慧差和位置色差这三种对对成像性质影响较大，所以首先考虑消除，因人眼具有自动校正色差功能，故影响成像质量主要是球差和慧差。光学设计的意义尽管光学系统有一系列像差，而且一般总不能将其完全校正和消除。但由于人眼和所有其它光能接收器也有一定的敏感缺陷，只要使得各种像差的数值小于一个容许的限度，人眼和其它光接收器还是觉察或反映不出其成像的不完善性。这样的光学系统从实用意义来说，可认为是理想的。影响倍率色差的主要因素：随视场的增大而增大；与光阑位置有关；与光学材料的折射率和色散率有关轴外物点发出的同心光束，由于此斜向细光束的子午面和弧矢面相对折射球面的位置不同，使子午和弧矢面在球面上的截线曲率不同。使水平方向和竖直方向的光线的聚焦点在不同平面上像散和场曲（2）像散（轴外点细光束）透镜光轴T子午焦线S弧矢焦线物点物面像面像的质量最好像散图示子午、弧矢2个方向的光束在主光线上不同位置分别产生2条相互垂直的前后焦线，称…lslt最小弥散圆主光线子午焦线弧矢焦线从子午焦线开始先出现长轴与子午面垂直的椭圆，至中间变为最小弥散圆，后再变成长轴在子午面的椭圆，后再聚焦为弧矢焦线。卫生部视光学研究中心美国博士伦视力保健公司前后焦线之间为一系列大小不等的椭圆形光学切面，其中最小的光学切面为一圆形，称最小弥散圆M轴子午线水平焦线垂直焦线最小弥散环度数子午线物体ABDCSturm间隙1-D57子午焦线和弧矢焦线与主光轴的交点分别称为子午像点和弧矢像点，二者在延轴位置的差异称为像散像散的影响因素随视场增大而增大与光阑位置有关与系统焦距及透镜表面曲率有关此外，与光束大小也有关像面弯曲（简称场曲）场曲光学系统如存在像散，一个物面将形成两个像面（即子午像面和弧矢像面），两弯曲像面与高斯像面的偏离分别称为子午场曲和弧矢场曲，以符号xt′和xs′表示之。球面光学系统存在场曲是由球面本身的固有特性决定的，如存在较大场曲时，就不能使平面物体上各点同时清晰成像，此时若把中间调清晰，边缘就变的模糊。场曲的危害OpticsofastigmaticLenses场曲的影响因素随视场增大而增大与光阑位置有关与球面系统结构有关此外，与光束大小也有关