应用光学【第四章】.pdf

第四章第四章 光学系统成像质量评价光学系统成像质量评价 4-1 概概 述述 一、对系统成像性能的要求：一、对系统成像性能的要求： 1、光学特性、光学特性 包括焦距，物距，像距，放大率，入瞳位置等；包括焦距，物距，像距，放大率，入瞳位置等； 解决这些问题：利用前面所学应用光学的知识解决这些问题：利用前面所学应用光学的知识 2、成像质量、成像质量 足够清晰，物像相似，变形要小足够清晰，物像相似，变形要小 解决这些问题：利用光学设计的知识解决这些问题：利用光学设计的知识 二、成像质量评价的方法二、成像质量评价的方法 1、光学系统实际制造完成后对其进行实际测量、光学系统实际制造完成后对其进行实际测量 1（（1）分辨率检验：）分辨率检验： 分辨率：光学系统成像时所能分辨的最小间隔分辨率：光学系统成像时所能分辨的最小间隔δ 空间频率：空间频率：δ的倒数的倒数 ，单位：，单位：lp/mm （（2）星点检验）星点检验 一个物点通过光学系统成像后，根据弥散斑的大小和一个物点通过光学系统成像后，根据弥散斑的大小和 能量分布的情况，可以评判系统的成像质量能量分布的情况，可以评判系统的成像质量 分辨率检验时所采用的图案：分辨率检验时所采用的图案： 星点检验星点检验 衍射受限系统的夫朗和斐衍射图衍射受限系统的夫朗和斐衍射图 星点检验星点检验 衍射受限系统的艾里斑的三维光强分布衍射受限系统的艾里斑的三维光强分布 2、设计阶段的评价方法、设计阶段的评价方法 几何光学方法：几何像差，波像差，点列图，几何光学传几何光学方法：几何像差，波像差，点列图，几何光学传 递函数递函数 物理光学方法：点扩散函数，相对中心光强，物理光学传物理光学方法：点扩散函数，相对中心光强，物理光学传 递函数递函数 4-2 介质的色散和光学系统的色差介质的色散和光学系统的色差 一、介质的色散一、介质的色散 波长波长 速度速度 折射率折射率 tvλvcn 红光红光 长长 快快 小小 紫光紫光 短短 慢慢 大大 n1-n2 色散色散 色散色散: 介质对两种不同颜色光线（用波长介质对两种不同颜色光线（用波长 和和 表示表示)的折射率之差的折射率之差 1221nn 二、色差二、色差 1、什么叫色差？、什么叫色差？ 2、色差的表示方法、色差的表示方法 轴向色差： )11)(1(121rrnf不同颜色像点沿光轴方向的位置之差。

F'红 F'黄 F'紫 通常用C、F光像平面的间距表示轴向色差 CFFClll4-3 轴上像点的单色像差：球差轴上像点的单色像差：球差 一、球差的定义一、球差的定义 A'1 A' 0 不同孔径光线对理想像点的位置之差不同孔径光线对理想像点的位置之差 二、球差的表示方法二、球差的表示方法 lLLLl大口径边缘光线对距系统最后一面的距离大口径边缘光线对距系统最后一面的距离 近轴（理想）像点位置近轴（理想）像点位置 L符号规则：由理想像点计算到实际光线交点符号规则：由理想像点计算到实际光线交点 三、存在球差时的像点形状三、存在球差时的像点形状 ⅠⅠ ⅡⅡ ⅢⅢ 最小弥散圆最小弥散圆 • 弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面弧矢面：过主光线和子午面垂直的平面 4-4 轴外像点的单色像差轴外像点的单色像差 • 子午面：主光线和光轴决定的平面子午面：主光线和光轴决定的平面 子午像差子午像差、、弧矢像差弧矢像差 彗差：正弦差彗差：正弦差----彗差与像高的比值彗差与像高的比值 SCK yyS'lim' ' 0xxxtsts'''yyyzzo'''1''.'sin'sin''11zz lLll uUuUSC2''' stxxx像散：像散： 畸变：成像光束的主光线的实际像高和理想像高之差畸变：成像光束的主光线的实际像高和理想像高之差 场曲：场曲： 像差曲线像差曲线 4-5 像点形状及特性像点形状及特性 ⅠⅠ ⅡⅡ ⅢⅢ 最小弥散圆最小弥散圆 一一.球差球差 像差形状及特性像差形状及特性 二二.彗差彗差 光学系统有彗差时像点的形状如彗星光学系统有彗差时像点的形状如彗星 三三.像散像散 像差形状及特性像差形状及特性 子午焦线子午焦线 弧矢焦线弧矢焦线 在子午焦线处，得到水平焦线在子午焦线处，得到水平焦线 在弧矢焦线处，得到垂直焦线在弧矢焦线处，得到垂直焦线 四四.场曲场曲 若存在场曲，像面不是平面，是一个曲面若存在场曲，像面不是平面，是一个曲面 五五.畸变畸变 像的大小和理想像高不等像的大小和理想像高不等 畸变不影响像的清晰畸变不影响像的清晰 只影响像的变形只影响像的变形 如果实际像高小于理想像高：桶形畸变如果实际像高小于理想像高：桶形畸变 如果实际像高大于理想像高：鞍形畸变如果实际像高大于理想像高：鞍形畸变 理想成像：理想成像： 球面波球面波 波像差波像差 实际波面和理想波实际波面和理想波 面之间的光程差面之间的光程差 4-6 用波像差评价光学系统的成像质量用波像差评价光学系统的成像质量 用波像差评价光学系统的成像质量用波像差评价光学系统的成像质量 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 10 - -1.4791.479- -1.4701.470- -1.4361.436 9 9 - -1.4441.444- -1.4541.454- -1.4801.480- -1.5061.506- -1.4991.499 8 8 - -1.1651.165- -1.1861.186- -1.2461.246- -1.3341.334- -1.4331.433- -1.5031.503- -1.4791.479 7 7 - -0.8200.820- -0.8440.844- -0.9170.917- -1.0341.034- -1.1861.186- -1.3501.350- -1.4801.480- -1.4941.494 6 6 - -0.5070.507- -0.5300.530- -0.6010.601- -0.7220.722- -0.8930.893- -1.1011.101- -1.3181.318- -1.4801.480- -1.4791.479 5 5 - -0.2710.271- -0.2900.290- -0.3510.351- -0.4610.461- -0.6250.625- -0.8440.844- -1.1011.101- -1.3501.350- -1.5031.503 4 4 - -0.1200.120- -0.1340.134- -0.1810.181- -0.2710.271- -0.4160.416- -0.6250.625- -0.8930.893- -1.1861.186- -1.4331.433- -1.4991.499 3 3 - -0.0400.040- -0.0490.049- -0.0810.081- -0.1490.149- -0.2710.271- -0.4610.461- -0.7220.722- -1.0341.034- -1.3341.334- -1.5061.506 2 2 - -0.0080.008- -0.0130.013- -0.0320.032- -0.0810.081- -0.1810.181- -0.3510.351- -0.6010.601- -0.9170.917- -1.2461.246- -1.4801.480- -1.4361.436 1 1 - -0.0010.001- -0.0020.002- -0.0130.013- -0.0490.049- -0.1340.134- -0.2900.290- -0.5300.530- -0.8440.844- -1.1861.186- -1.4541.454- -1.4701.470 0 0.0000 0.000- -0.0010.001- -0.0080.008- -0.0400.040- -0.1200.120- -0.2710.271- -0.5070.507- -0.8200.820- -1.1651.165- -1.4441.444- -1.4791.479 - -1 1 - -0.0010.001- -0.0020.002- -0.0130.013- -0.0490.049- -0.1340.134- -0.2900.290- -0.5300.530- -0.8440.844- -1.1861.186- -1.4541.454- -1.4701.470 - -2 2 - -0.0080.008- -0.0130.013- -0.0320.032- -0.0810.081- -0.1810.181- -0.3510.351- -0.6010.601- -0.9170.917- -1.2461.246- -1.4801.480- -1.4361.436 - -3 3 - -0.0400.040- -0.0490.049- -0.0810.081- -0.1490.149- -0.2710.271- -0.4610.461- -0.7220.722- -1.0341.034- -1.3341.334- -1.5061.506 - -4 4 - -0.1200.120- -0.1340.134- -0.1810.181- -0.2710.271- -0.4160.416- -0.6250.625- -0.8930.893- -1.1861.186- -1.4331.433- -1.4991.499 - -5 5 - -0.2710.271- -0.2900.290- -0.3510.351- -0.4610.461- -0.6250.625- -0.8440.844- -1.1011.101- -1.3501.350- -1.5031.503 - -6 6 - -0.5070.507- -0.5300.530- -0.6010.601- -0.7220.722- -0.8930.893- -1.1011.101- -1.3181.318- -1.4801.480- -1.4791.479 - -7 7 - -0.8200.820- -0.8440.844- -0.9170.917- -1.0341.034- -1.1861.186- -1.3501.350- -1.4801.480- -1.4941.494 - -8 8 - -1.1651.165- -1.1861.186- -1.2461.246- -1.3341.334- -1.4331.433- -1.5031.503- -1.4791.479 - -9 9 - -1.4441.444- -1.4541.454- -1.4801.480- -1.5061.506- -1.4991.499 - -1010- -1.4791.479- -1.4701.470- -1.436 1.436 4-7 理想光学系统的分辨率理想光。