RLE-ME01-光学系统像差测量实验-实验讲义.docx

光学系统像差测量实验RLE-ME01实验讲义版本：2012发布日期：2012年8月刖百实际光学系统与理想光学系统成像的差异称为像差光学系统成像的差异是在程光学？课程重要章节，也是教学的难点章节，针对此知识点的教学实验产品匮乏RealLight?开发的像差测量实验采用专门设优质资料计的像差镜头，像差现象清晰；涉及知识点紧贴像差理论的重点内容，是学生掌握像差理论的非常理想的教学实验系统目录1．光学系统像差的计算机模拟1.1. 引言11.2. 实验目的11.3. 实验原理11.4. 实验仪器41.5. 实验步骤41.6. 思考题52. 平行光管的调节使用及位置色差的测量2.1. 引言62.2. 实验目的62.3. 实验原理62.4. 实验仪器72.5. 实验步骤82.6. 实验数据处理92.7. 思考题93. 星点法观测光学系统单色像差3.1. 引言103.2. 实验目的103.3. 实验原理103.4. 实验仪器113.5. 实验步骤123.6. 思考题144. 阴影法测量光学系统像差与刀口仪原理4.1. 引言154.2. 实验目的154.3. 实验原理154.4. 实验仪器164.5. 实验步骤164.6. 思考题175. 剪切干预测量光学系统像差5.1. 引言185.2. 实验目的185.3. 实验原理185.4. 实验仪器215.5. 实验步骤215.6. 思考题266. 参考文献实验1光学系统像差的计算机模拟1.1 引言如果成像系统是理想光学系统，那么同一物点发出的所有光线通过系统以后应该聚焦在理想像面上的同一点，且高度同理想像高一致。

但实际光学系统成像不可能完全符合理想，物点光线通过光学系统后在像空间形成具有复杂几何构造的像散光束，该像散光束的位置和构造通常用几何像差来描述1.2 实验目的掌握各种几何象差产生的条件及其根本规律，观察各种象差现象的计算机模拟效果图1.3 实验原理光学系统所成实际象与理想像的差异称为像差，只有在近轴区且以单色光所成像之像才是完善的〔此时视场趋近于0，孔径趋近于0〕但实际的光学系统均需对有一定大小的物体以一定的宽光束进展成像，故此时的像已不具备理想成像的条件及特性，即像并不完善可见，象差是由球面本身的特性所决定的，即使透镜的折射率非常均匀，球面加工的非常完美，像差仍会存在几何像差主要有七种：球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差及倍率色差前五种为单色像差，后二种为色差a球差轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点〔理想像点〕有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，简称球差〔L〕如图1-1所示图1-1轴上点球差b.慧差彗差是轴外像差之一，它表达的是轴外物点发出的宽光束经系统成像后的失对称情况，彗差既与孔径相关又与视场相关假设系统存在较大彗差，那么将导致轴外像点成为彗星状的弥散斑，影响轴外像点的清晰程度。

如图1-2所示图1-2慧差c.像散像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主光线的细光束经光学系统后，其子午焦线与弧矢焦线间的轴向距离表示:XtsXtXs式中，Xt,Xs分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线必得到不同形状的物至理想像面的距离，如图1-3所示图1-3像散理想像面L 一当系统存在像散时，不同的像面位置会得到不同形状的物点像假设光学系统对直线成像，由于像散的存在其成像质量与直线的方向有关例如，假设直线在子午面内其子午像是弥散的，而弧矢像是清晰的；假设直线在弧矢面内，其弧矢像是弥散的而子午像是清晰的；假设直线既不在子午面内也不在弧矢面内，那么其子午像和弧矢像均不清晰，故而影响轴外像点的成像清晰度d.场曲使垂直光轴的物平面成曲面像的像差称为场曲如图1-4所示子午细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的子午场曲；弧矢细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的弧矢场曲而且即使像散消失了〔即子午像面与弧矢像面相重合〕，场曲依旧存在〔像面是弯曲的〕场曲是视场的函数，随着视场的变化而变化当系统存在较大场曲时，就不能使一个较大平面同时成清晰像，假设对边缘调焦清晰了，那么中心就模糊，反之亦然。

图1-4场曲e.畸变畸变描述的是主光线像差，不同视场的主光线通过光学系统后与高斯像面的交点高度并不等于理想像高，其差异就是系统的畸变，如图1-5所示由畸变的定义可知，畸变是垂轴像差，只改变轴外物点在理想像面的成像位置，使像的形状产生失真，但不影响像的清晰度图1-5畸变1.4 实验仪器电脑主机及显示器一套、像差模拟软件1.5 实验步骤1在配套软件光盘中找到.文件夹2将此文件夹拷贝到电脑本地硬盘a如匕w*、.，—足“比”文件4点击右侧按钮选取所需要模拟的像差现象图效果图如下:图1-6-1球差模拟效果图图1-6-2慧差模拟效果图图1-6-3像散模拟效果图图1-6像差模拟效果图1.6 思考题a.场曲有什么特点，它与像散有什么关系？答：场曲引起像面弯曲，场曲与孔径无关，它只是视场的函数，当视场为零时，不存生场曲；像散是由于场曲引起的，子午细光束交点与弧矢细光束交点重合时，不存生像散实验2平行光管的调节使用及位置色差的测量2.1 引言平行光管是一种长焦距、大口径，并具有良好似质的仪器，与前置镜或测量显微镜组合使用，既可用于观察、瞄准无穷远目标，又可作光学部件，光学系统的光学常数测定以及成像质量的评定和检测。

2.2 实验目的a了解平行光管的构造及工作原理b.掌握平行光管的使用方法c.了解色差的产生原理d.学会用平行光管测量球差镜头的色差2.3 根本原理根据几何光学原理,无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上;反之,从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为一束平行光如果将一个物体放在透镜的焦平面上,那么它将成像在无限远处图2-1为平行光管的构造原理图它由物镜及置于物镜焦平面上的分划板,光源以及为使分划板被均匀照亮而设置的毛玻璃组成由于分划板置于物镜的焦平面上,因此,当光源照亮分划板后,分划板上每一点发出的光经过透镜后,都成为一束平行光又由于分划板上有根据需要而刻成的分划线或图案,这些刻线或图案将成像在无限远处这样,对观察者来说,分划板又相当于一个无限远距离的目标图2-1平行光管的构造原理图根据平行光管要求的不同，分划板可刻有各种各样的图案图2-2是几种常见的分划板图案形式图2-2〔a〕是刻有十字线的分划板，常用于仪器光轴的校正图2-2(b)是带角度分划的分划板，常用在角度测量上；图2-2(c)是中心有一个小孔的分划板，又被称为星点板;图2-2(d)是鉴别率板,它用于检验光学系统的成像质量鉴别率板的图样有许多种，这里只是其中的一种；图2-2(e)是带有几组一定间隔线条的分划板，通常又称它为玻罗板，它用在测量透镜焦距的平行光管上。

图2-2分划板的几种形式光学材料对不同波长的色光有不同的折射率，因此同一孔径不LfcLfLc同色光的光线经过光学系统后与光轴有不同的交点不同孔径不同色光的光线与光轴的交点也不一样在任何像面位置，物点的像是一个彩色的弥散斑，如图2-3所示各种色光之间成像位置和成像大小的差异称为色差图2-3轴上点色差轴上点两种色光成像位置的差异称为位置色差，也叫轴向色差对目视光学系统用LFC表示，即系统对F光〔486nm〕和C光〔656nH消色差LFC LFLc〔2-1〕对近轴去表示为Ifc If lc〔2-2〕根据定义可知，位置色差在近轴区就已产生为计算色差，只需对进展近轴光路计算，就可求出系统的近轴色差和远轴色差2.4实验仪器F光和C光平行光管、球差镜头、CMOS相机、电脑、机械调整架等图2-4位置色差测量实验装配图注意：1、在安装CMOS相机时，请根据螺纹螺距区分英制与公制螺纹孔,如需要使用英制1/4-20螺纹孔连接CMOS时，请使用英制-公制螺纹转接头,如下列图:图2-5 CMOS相机安装图英制-公制螺纹转接头2.5实验步骤1根据位置色差测量实验装配图安装所有的器件2由于像差实验使用的星点像只有15口，在较明亮的环境下无法通过肉眼观察到平行光管发光。

如需检查平行光管光源是否连接正确，可直接目视平行光管出光口检查3平行光管发出的光较弱，实验时请关闭室内照明，并使用遮光窗帘4根据CMOS相机的使用说明书安装CMOS相机的驱动程序和采集程序5翻开相机的采集程序，使用连续采集模式此时如果显示图像亮度过高适当减小相机的增益值和快门速度6翻开平行光管电源盒开关，将亮度可调旋钮调制最大拨动平行光管后端4档拨动开关〔波动开关控制顺序为：关-红-1S-蓝〕，翻开红色照明7调整相机沿导轨方向移动，将CMOS相机靶面调整到与待测镜头后焦点重合位置此时可以在电脑屏幕上观察到待测镜头焦点亮斑8调整平行光管照明亮度，使得显示亮斑亮度在饱和值以下此时微调待测透镜下方的平移台，使得焦点亮斑最小且锐利此时认为待测镜头后焦点与CMOS靶面重合记录此时的平移台千分丝杆读数值9变换平行光管照明光源颜色使用千分丝杆调整待测镜头与CMOS相机之间的距离至焦点亮斑最小且锐利分别记录此时的千分丝杆读数值10根据公式测量待测镜头的位置色差值2.6 实验数据处理位置色差LfcLfLcLfdLfLdLdcLd Lc数据表如下:L-FLL.cLLdLFCLFCLLLDCL2.7 思考题a.引起位置色差的根本原因？答：不同的波长对应着不同的透镜折射率；透镜的折射率不同，光波会聚的焦点位置就不同，这是引起位置色差的根本原因。

实验3星点法观测光学系统单色像差3.1 引言根据几何光学的观点，光学系统的理想状况是点物成点像，即物空间一点发出的光能量在像空间也集中在一点上，但由于像差的存在，在实际中式不可能的评价一个光学系统像质优劣的根据是物空间一点发出的光能量在像空间的分布情况在传统的像质评价中，人们先后提出了许多像质评价的方法，其中用得最广泛的有分辨率法、星点法和阴影法〔刀口法〕3.2 实验目的a了解星点检验法的测量原理b.用星点法观测各种像差3.3 实验原理光学系统对相干照明物体或自发光物体成像时，可将物光强分布看成是无数个具有不同强度的独立发光点的集合每一发光点经过光学系统后，由于衍射和像差以及其他工艺疵病的影响，在像面处得到的星点像光强分布是一个弥散光斑，即点扩散函数在等晕区内，每个光斑都具有完全相似的分布规律，像面光强分布是所有星点像光强的叠加结果因此，星点像光强分布规律决定了光学系统成像的清晰程度，也在一定程度上反映了光学系统对任意物分布的成像质量上述的点基元观点是进展星点检验的根本依据。