電子科大應(yīng)用光學(xué)chapter_07_2014-2015課件

1、2014-2015學(xué)年23第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評價4第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評價5像差概述*之前研究的都是理想像一個物點的理想像仍是一個點。從物點發(fā)出的所有光線通過光學(xué)系統(tǒng)后會聚于像點。*在近軸條件下理想成像是能近似實現(xiàn)的近軸條件要求成像光束的孔徑小和儀器的視場?。矗S小物體以細光束成像）。*對任何一個實際的光學(xué)系統(tǒng)而言，都需要一定的相對孔徑和視場。6像差概述*像差實際像與理想象之間的偏差。*對于成像光學(xué)系統(tǒng)，像差是有害的，而沒有像差的光學(xué)系統(tǒng)是不存在的。*不可能完全消除像差。*根據(jù)系統(tǒng)的作用和接收器的

2、特性，把像差校正到某一公差范圍內(nèi)。7像差產(chǎn)生原因*高次項的忽略是產(chǎn)生像差的原因。sintancos1357246357sin3!5!7!cos12!4!6!217tan315315 8像差產(chǎn)生原因*單個折射球面實際光線/近軸光線的光路計算sinsinsinsinsin11sinLrlrIUiurrnnIIiinnUUIIuuiiIiLrlrUu 9像差分類1. 單色像差 軸上點像差球差 軸外點像差慧差像散場曲畸變2. 色差 位置色差 倍率色差10第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評價11球差什么是球差*物距L為定值時，像距L是U或h的函數(shù)。*軸上點A發(fā)出的同心光

3、束經(jīng)系統(tǒng)折射后，不同孔徑角U的光線與光軸相交于不同點，相對于理想像點的位置有不同的偏離球面像差。sinsinsinsinsin1sinLrIUrnIInUUIIILrU 12球差什么是球差*軸向球差垂軸球差LLltantanTLULlU13球差什么是球差相對值sinU/sinUm（或 h/hm）表示不同孔徑角（或入射高度）的光線sinU/sinUmL, l/mmL/mm1.028.5383-1.03050.8528.8289-0.73990.70729.0595-0.50930.529.2155-0.25330.329.5058-0.0630029.56880r1 = 25.815 mmd =

4、 4.0 mmr2 = -25.815 mmnD = 5.163L = -150 mmsinUm = -0.2414球差什么是球差*接收屏在空間沿著主光軸移動，在任何位置都不能成幾何點，接收到的都是圓形的彌散斑，位置不同，彌散斑的直徑也不同。 15球差影響因素*是h, U的函數(shù)。*與f, D/f, n, r, 透鏡形狀有關(guān)。16球差校正*大部分光學(xué)系統(tǒng)只能對某一高度（孔徑角）校正球差，一般是對邊緣帶校正球差，即Lm = 0Lm 0，球差過校正17球差校正*配曲（利用透鏡形狀與球差的關(guān)系消除單透鏡的像差）透鏡的縱向球差與透鏡的折射率nL、曲率半徑r1, r2有關(guān)。透鏡焦距f也是nL, r1, r

5、2這三個參量的函數(shù)。對給定的nL，同樣焦距f的透鏡可以有不同的曲率比r1/r2，選擇某個比值，使球差值達到最小。球差校正*組合（正負透鏡的組合）單正透鏡的球差是負的；單負透鏡的球差是正的。正、負兩個透鏡粘合起來，組成一個復(fù)合透鏡，可使某個高度h上的球差完全抵消。1819球差校正*最簡單方法在透鏡前加一個光闌，讓近軸光線通過。20球差說明 球差是軸上點唯一的單色像差。 任何光學(xué)系統(tǒng)都必須校正球差。球差使得像平面上的像由彌散斑組成，不能反映物體的細節(jié)。 不論采取什么措施或多復(fù)雜的系統(tǒng)，一般只能對某一孔徑環(huán)帶消除球差，而不能同時對各種孔徑角的環(huán)帶消除球差，總有一定的剩余球差。21慧差子午面與弧矢面子

6、午面：物點發(fā)出的主光線和光軸所決定的平面子午光線：位于子午面內(nèi)的光線弧矢面：通過主光線并垂直于子午面的平面弧矢光線：弧矢面內(nèi)的光線22彗差什么是彗差*軸外物點發(fā)出的粗光束，經(jīng)系統(tǒng)后所成的像對主光線失去對稱性，靠近主光線的細光束交于主光線形成亮點，遠離主光線的不同孔徑的光束形成遠離主光線的不同圓環(huán)。軸外物點在理想像面上形成如同彗星狀的光斑，這種成像缺陷稱為彗差。*子午彗差子午面內(nèi)，某孔徑上、下光線對經(jīng)系統(tǒng)后的交點BT到主光線的垂軸距離，KT。23彗差子午彗差*子午光線經(jīng)系統(tǒng)成像仍在子午面內(nèi)。*由于系統(tǒng)像差的存在，對稱于主光線兩側(cè)的子午光線對a、b，經(jīng)系統(tǒng)后，交點不在主光線上，也不交在理想像面上。

7、2TabzKyyy24彗差弧矢彗差*弧矢面內(nèi)，某孔徑前、后光線對經(jīng)系統(tǒng)后的交點BS到主光線的垂軸距離，KS。SSzKyy25彗差形狀及大小*將入瞳看作由無數(shù)個大小不等的圓環(huán)組成，由軸外物點發(fā)出的所有通過這些圓環(huán)的圓錐面光束，經(jīng)系統(tǒng)后在理想像面上截得大小不等、形狀不一、并在垂軸方向上相互錯開的封閉曲線，最終疊加成一個形狀復(fù)雜、對稱于子午面的彌散斑。26彗差形狀及大小*彌散斑形狀像彗星，從中心到邊緣拖著一個由細到粗的尾巴，首端明亮、清晰，尾端寬大、暗淡、模糊。正彗差（KT 0）負彗差（KT 中央放大率*負畸變（桶形畸變）邊緣放大率 中央放大率44畸變影響因素*畸變與視場有關(guān)，與孔徑無關(guān)。*畸變與孔

8、徑光闌位置有關(guān)。校正*對于單個折射面，將孔徑光闌設(shè)在球心處，不產(chǎn)生畸變。45畸變校正*對于單個薄透鏡或薄透鏡組，當孔徑光闌與之重合時，不產(chǎn)生畸變?？讖焦怅@前移負畸變孔徑光闌后移正畸變46畸變校正* = -1的對稱光學(xué)系統(tǒng)，光闌位于系統(tǒng)中央，前后部分的畸變大小相等、符號相反，自動校正。47第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評價48*通常情況下，物體以復(fù)色光（例如白光）成像，光學(xué)材料對不同波長的譜線有不同的折射率。*透鏡焦距取決于表面的曲率半徑和材料折射率，當曲率半徑確定后，焦距隨折射率而變化。*當白光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)時，系統(tǒng)對不同波長有不同的焦距，各譜線將形成各自的像

9、點，導(dǎo)致一個物點對應(yīng)許多不同的像點位置和放大倍率，這種差異稱為色差。*可見光范圍內(nèi)，用F光（紫光）和C光（紅光）的差異表示色差。49位置色差什么是位置色差同一透鏡對不同波長的色光成像的焦距不同。物距一定，焦距不同像距就不同，一個物點形成很多像點。*位置色差軸上物點以復(fù)色光束成像時的像差，也稱為軸向色差。FCFCFCFCLLLlll位置色差什么是位置色差*不同孔徑的光束有不同的位置色差。取若干孔徑系數(shù)，對F和C光分別求得各個孔徑時的像方截距，作出各自的球差曲線，同時繪出主色光（D光）的球差曲線。50*像差曲線可以同時直觀地反映出幾種像差：各單色光的球差隨孔徑的變化；位置色差隨孔徑的變化；球差隨色

10、光的變化（色球差）；二級光譜（LFCD）。51位置色差什么是位置色差*三條曲線在橫軸上的交點代表了三種色光各自的理想像點，也反映了近軸的位置色差。52位置色差什么是位置色差*在0.707帶校正色差之后，邊緣帶色差LFC和近軸色差lFC并不像等，兩者之差稱為色球差，反應(yīng)球差的色變化。 FCFCFCFCFCFFCCFCLLlLLllLlLlLL 53位置色差什么是位置色差*當0.707帶消色差后，F(xiàn)光和C光的交點與D光像點位置一般并不重合，其距離稱為二級光譜，用LFCD表示。FCDFDCDLLLLL54位置色差校正*正、負透鏡膠合（光焦度符號相反）55倍率色差什么是倍率色差*F光與C光主光線的像點

11、高度之差，在參考像面（D光的像面）上度量，YFC或yFC。FCFCFCFC,YYYyyyfllx *對軸外點，不同色光的焦距不等時，垂軸放大率也不相等，因而有不同像高。56倍率色差什么是倍率色差*倍率色差嚴重時，物體的像有彩色邊緣，即各種色光的軸外像點不重合。倍率色差將破壞軸外點像的清晰度，造成白色像的模糊。57倍率色差校正* = -1的對稱性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。*有一定空氣間隔的雙薄透鏡組合，通過調(diào)節(jié)空氣間隔來校正。58思考*反射式光學(xué)系統(tǒng)有無色差存在？*在7種基本像差中，影響軸上點成像質(zhì)量的有哪些？59第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評價60*適用于高像質(zhì)要求的光學(xué)

12、系統(tǒng)。*光線波面的法線理想波面在理想成像的情況下，和理想像點對應(yīng)的波面*波像差實際波面與理想波面之間的光程差當系統(tǒng)最大波像差 /4，成像是完善的。61第一節(jié) 概述第二節(jié) 單色像差第三節(jié) 色差第四節(jié) 波像差第五節(jié) 像質(zhì)評價62波前圖（Wavefront Map）*由光路追跡計算得到實際光線與理想光線之間的光程差波像差。*波前圖實際出射波面的變形程度（波像差）。63星點檢測法（Star Test）*在物方放置帶有微孔（直徑0.05 mm）的被照明的星點板（star tester），通過顯微鏡觀察所成圖像的形狀和大小。*物點衍射圖形越小，能量越集中，則系統(tǒng)的成像質(zhì)量越好。64點列圖（Spot Dia

13、gram）*對大像差系統(tǒng)，將系統(tǒng)入瞳分成大量等面積小面元，物點發(fā)出且穿過面元中心的光線代表通過該面元的能量。所追跡光線在成像面上的交點分布點列圖代表像點的光亮度分布。*入瞳處面元的選?。褐苯亲鴺?；極坐標；考慮系統(tǒng)攔光效應(yīng)。*以集中60%以上的點所構(gòu)成的圖像區(qū)域作為實際有效彌散斑，彌散斑直徑的倒數(shù)為系統(tǒng)的分辨率。65點列圖（Spot Diagram）66光學(xué)傳遞函數(shù)*物體可看作是由各種頻率的譜組成的，即將物體的光場分布函數(shù)展開成傅里葉級數(shù)/積分的形式。67光學(xué)傳遞函數(shù)*光學(xué)傳遞函數(shù)（Optical Transfer Function, OTF）表征光學(xué)系統(tǒng)對不同空間頻率的目標的傳遞性能，能夠全面

14、反映光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。*在現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計中，通常用光學(xué)傳遞函數(shù)作為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的質(zhì)量指標。在設(shè)計階段可以通過光學(xué)傳遞函數(shù)的計算，具體了解所設(shè)計系統(tǒng)的實際成像性能。光學(xué)傳遞函數(shù)也是光學(xué)測量和像質(zhì)評價的指標。68光學(xué)傳遞函數(shù)正弦光柵和矩形光柵69光學(xué)傳遞函數(shù)正弦光柵和矩形光柵*正弦光柵相鄰兩個極大（或極?。┲抵g的距離稱為空間周期，T，mm。單位距離內(nèi)的空間周期數(shù)叫做空間頻率 （每毫米內(nèi)包含的亮線或暗線的條數(shù)），lp/mm。1 T光學(xué)傳遞函數(shù)正弦光柵和矩形光柵*正弦光柵光亮度分布I(x)可看成是由一個均勻的底亮度I0加上振幅為Ia的正弦曲線而成。70 0amax0amin0acos 2I xIIx

15、IIIIII71光學(xué)傳遞函數(shù)正弦光柵和矩形光柵*用調(diào)制度M（/反襯度/對比度）表示正弦光柵線條明暗對比度。（令I(lǐng)0 = 1）maxminamaxmin01IIIMIII 0aa00cos 21cos 21cos 2I xIIxIIxIMx 72光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)定義*若將一個正弦光柵作為物體，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后所成的像仍為正弦光柵。*理想成像：像的位置位置、大小由高斯光學(xué)決定；像的光亮度分布不考慮系統(tǒng)的衍射、吸收、反射； M代表物體的對比度，也代表理想像的對比度。73光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)定義*實際成像（衍射及像差）： 對比度降低調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）aa00,IIMMII 0,1MTM74光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)定義*實際成像（衍射及像差）： 相位移動相位傳遞函數(shù)（PTF）理想成像光亮度分布實際成像光亮度分布 1cos 2I xMx 1cos 2IxMx 75光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)定義*光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）反映光學(xué)系統(tǒng)對物體