§5.1 像差概述

一、像差 Aberration

 ①以前研究的都是理想像，在傍轴条件下理想成像是能近似实现的，近轴条件要求成像光束的孔径小和仪器的视场小

 ②对任何一个实际的光学系统而言，都需要一定的相对孔径和视场（如显微镜 ）

 ③像差－实际像与理想象之间的偏差

 ④光学系统设计的一项重要工作就是要校正这些像差，使成像质量达到技术要求

对于成像光学系统，像差是极其有害的，而没有像差的光学系统是不存在的

像差的消除是个非常大而困难的问题，完全消除也不可能

把像差校正到某一公差范围内

了解各种像差的现象、产生原因、光束结构、减小像差的措施

球差（轴上点单色像差Monochromatic）

2.组合（正负透镜的组合，组合方式：胶合或分离）

  用配曲法不可能将一个透镜的球差完全消除。凸透镜的球差是负的，凹透镜的球差是正的。把凸、凹两个透镜粘合起来，组成一个复合透镜，可使某个高度h上的球差完全抵消。

u说明：

 不论采取什么措施，多复杂的系统，一般都只能对某一非近轴环节消球差，而不能同时对各种孔径角的环节消球差。总有一定的剩余球差，主要包括：

 ①其它环带的问题

 ②高阶球差问题

三.分类

u球差：轴外子午球差、轴外弧矢球差

u彗差：子午彗差、弧矢彗差

u象散

u场曲：子午场曲、弧矢场曲

u畸变

四.彗差coma(粗光束)

  什么是彗差？：轴外物点发出的粗光束，经系统后所成的像对主光线失去对称的一种像差

   子午彗差：上下光线经系统后的交点BT’对主光线的垂直于光轴方向的偏离，KT’

    子午光线的结构特点：

u子午面光线经系统成像仍在子午面内u由于系统像差的存在, 对称于主光线两侧的”子午光线对”, 经系统后,交点不在主光线上,也不交在理想像面上

弧矢彗差：前后光线经系统后的交点BS’到主光线的垂直于光轴方向的距离，KS’

弧矢面光线的结构特点

u由于系统像差的存在,对称于主光线两侧的”弧矢光线对”,经系统后交点必然在子午面上,但不在主光线上,也不在理想像面上

正彗差：彗星头朝向光轴

负彗差：彗星尾巴朝向光轴

彗差图形

2.讨论

u物点离光轴越远，彗差越大

u对给定的离轴物点，成像光束愈大，彗差愈大

u与透镜的形状和物点的轴向位置有关

3.消除方法

u满足阿贝正弦条件的光学系统无彗差

u配曲，适当选取透镜的曲率半径（形状）和位置因子

u采用正负透镜的胶合，能同时校正球差和彗差

五 象散Astigmation

若把光阑缩到无限小，只允许沿主光线的无限细光束通过，则彗差不存在，但是有细光束的像散和场曲存在

1.什么是象散？

u光束的子午像点和弧矢像点不重合，两者分开的距离称为象散

u宽光束像散

u细光束像散

u象散的大小随物体离开光轴的高低不同而不同

u由于对称性，象散曲面为一旋转抛物面

2.象散与哪些因素有关？

u与远光束相对于光轴的倾角有关

u与f’、n’有关

3。消除象散的方法

正负透镜象散相反，胶合后可消除

合理确定光阑位置，使T和S两个抛物面重合为一个抛物面P，这个面称为Pettzval曲面，可得点像

六场曲 Curvature of  field

1.定义

u当一个系统象散完全消除时，即处于Pettzval曲面状态时，垂直于光轴的平面仍然不能为平面，则称这种像场弯曲为场曲

u像场弯曲的效果是不论像面在任何平面位置，像总是一部分清晰，一部分不清晰

2.影响因素

u与焦面位置和物体高度有关u与n有关u与光阑位置有关

3.消除方法

u加光阑，可以减小单透镜场曲

    例：照相物镜在负弯月透镜前加光阑

u组合系统，复杂化系统，适当选择焦距和nu将探测器面弯曲以适应场曲

    例：大幅航空相机

七畸变Distortion

   以上几种像差的共同特点是：像点被弥散斑所代替，破坏了像的清晰程度。

    畸变并不影响像的清晰程度，但影响像和物的几何相似性

  当孔阑位置移动，球差的影响,不同视场的主光线与高斯像面交点高度不等于理想像高,其差别就是系统的畸变

1.畸变

u畸变仅是像的变形，不影响像的清晰度。

u有些光学系统只对清晰度要求高，对变形的要求可以降低

2.产生原因

u光学系统对共轭面上不同高度的物体有不同垂轴放大率所致。β不是常数，而是物高y的函数

3.分类

u桶形畸变（负畸变），β随物高y的增大而减小

u枕形畸变（正畸变）

4.影响因素及清除方法

u光阑对畸变的影响

u当孔径光阑中心与薄透镜中心重合时无畸变

u入瞳与主平面重合系统无畸变