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像差 编辑
像差一般分两大类:色像差和单色像差。色像差简称色差,是由于透镜材料的折射率是波长的函数,由此而产生的像差。它可分为位置色差和放大率色差两种。单色像差是指即使在高度单色光时也会产生的像差,按产生的效果,又分成使像模糊和使像变形两类。前一类有球面像差、彗形像差和像散。后一类有像场弯曲和畸变。
实际工作中光学系统所成的像与近轴光学(Paraxial Optics,高斯光学)所获得的结果不同,有一定的偏离,光学成像相对近轴成像的偏离称像差。
由于像差使成像与原物形状产生差异。复色光引起的色像差简称色差;非近轴单色光则引起单色像差。初级像差又分为五种,分别为:球面像差、彗形像差、像散、像场弯曲和畸变五种。
摄影影头因制作不精密,或人为的损害,不能将一点所发出的所有光线聚焦于底片感光膜上的同一位置,使影像变形,或失焦模糊不清。
实际的光学系统存在着各种像差。一个物点所成的像是综合各种像差的结果;此外实际光学系统完全可以不调焦在理想像平面处,这时像差(指在这个实像面上的像斑)当然也要变化。在天文上常用光线追迹的点列图来表示实际像差;也可用波像差来表示像差,由一个物点发出的光波是球面波,经过光学系统后,波面一般就不再是球面的。它与某一个基准点为中心的球面的偏离量,乘以该处介质的折射率值,称为波像差。
概念
在共轴球面系统中 ,轴上点和轴外点有不同的像差,轴上点因处于轴对称位置,具有最简单的像差形式。当轴上物点的物距L确定,并以宽光束孔径成像时,其像方截距随孔径角U(或孔径高度h)的变化而变化,因此轴上物点发出的具有一定孔径的同心光束,经光学系统成像后不复为同心光束。在孔径角很小的近轴区域可以得到物点成像的理想位置l′,任意孔径角U的成像光线偏离理想像点与光轴相交的位置为L′。我们把轴上物点以某一孔径角U成像时,其像方截距L′与理想像点的位置l′之差称为轴上点球差,又称为轴向球差。
与物高无关而与入射光瞳口径三次方成正比的像差。它使理想像平面中各像点都成为同样大小的圆斑。轴上物点只有球差这一种像差。通过入射光瞳上不同环带的光线,经过光学系统后会聚在光轴上的不同点。这些点与近轴光的像点之差称为轴向球差。
单个折射球面的齐明点
对单个折射球面,可以证明,有三个物体位置可以不产生轴上点球差。这三个位置是:
1、物点位于球面的球心处,即所有光线将沿球面的法线方向入射,即入射角等于0;
2、物点位于球面的顶点处。此时不论U角如何,所有入射光线射向此点,经折射后也都将经此点离开,即像点也位于顶点。
3.物点位于
概念
位于光轴以外的物点,由于偏离了共轴球面系统的对称轴位置,成像后的光束聚焦情况比轴上点要复杂得多。子午面是系统的对称面,也是光束的对称面,该平面内的光束经系统成像后仍位于该平面内。因此,可以用平面图形表示出子午光束的结构。
轴外物点B发出充满入瞳的一束光,这束光以通过入瞳中心的主光线为对称中心。考察主光线z和一对上下光线a、b。折射前,上下光线相对于主光线对称,而折射后,上下光线不再对称于主光线,它们的相交点偏离了主光线。
与物高一次方、入射光瞳口径二次方成正比的像差。若仅存在彗差,轴外物点发出的通过入射光瞳不同环带的光线,会在理想像平面上形成半径变化的并且沿视场半径方向偏移的像圈。它们的组合会使物点的像成为形状同彗星相似的弥散斑。
慧差是轴外物点以宽光束成像的一种失对称的垂轴像差,除了子午和弧矢两个截面外,其它截面也都有不同形式的失对称。如果入瞳为一圆环,轴外点进入系统的光线就是以物点为顶点、以主光线为对称中心的圆锥面光束,不同的孔径对应于不同大小的光锥。此光束经系统后,由于存在慧差,不复为对称于主光线的圆锥面光束,也不再会聚于一点,它与高斯像面相交成一封闭的复杂曲线,曲线的形状对称于子午面。光锥角度越大,失对称的程度也越大。整个入瞳可以看成由无数个大小不等的圆环组成,由轴外物点发出的所有通过这些圆环的圆锥面光束,经系统后在高斯像面上截得大小不等、形状不一、并在垂轴方向上相互错开的封闭曲线,最终叠加成一个形状复杂、对称于子午面的弥散斑。
孔径光阑对慧差的影响
慧差是由于轴外点宽光束的主光线与球面对称轴不重合,而由折射球面的球差引起的。如果将入瞳设置在球面的球心处,则通过入瞳的主光线与辅助光轴重合,此时轴外点同轴上点一样,入射的上下光线对将对称于该辅助光轴,出射光线也一定对称于辅轴,球面将不产生慧差。入瞳偏离球心越远,失对称的现象越严重,慧差也就越大。
与物高二次方、入射光瞳口径一次方成正比的像差。若仅存在场曲,则所有物平面上的点都有相应的像点,但分布在一个球面上;若采用弯成此种形状的底片,则可获得处处清晰的像。此时在理想像平面上,像点呈现为圆斑。
若仅存在像散,则轴外物点的光线通过光学系统后聚焦成两条焦。在这两条焦线的中点,光束形成最小弥散圆。若将底片弯成处处都在这样的位置,则可获得处处像点弥散成最小的圆形斑。此时在理想像平面上,像点呈椭圆斑。
仅与物高三次方成正比的像差。若仅有畸变,得到的像是清晰的,只是像的形状与物不相似。
上述单色像差,仅与物高和入射光瞳口径的幂总共三次方成正比,称为三级像差(又称初级像差),此外还有与物高和入射光瞳口径的幂总共高于三次方的成正比像差,称为高级像差。
大多数情况下 ,物体都以复色光(例如白光)成像,白光包含了各种不同波长的单色光,光学材料对不同波长的谱线有不同的折射率。第三章给出的透镜计算表明,透镜的焦距取决于两表面的曲率半径和材料的折射率,当半径确定后,焦距随折射率而变化。当白光经过光学系统时,系统对不同波长有不同的焦距,各谱线将形成各自的像点,导致一个物点对应有许许多多不同波长的像点位置和放大率,这种成像的色差异我们统称为色差。
由于透射材料折射率随波长变化,造成物点发出的不同波长的光线通过光学系统后不会聚在一点,而成为有色的弥散斑。它仅出现于有透射元件的光学系统中。按照理想像平面上像差的线大小与物高的关系,可区分为:①位置色差(又称纵向色差) 与物高无关的像差,即不同波长的光线经由光学系统后会聚在不同的焦点。
②横向色差(又称倍率色差) 与物高一次方成正比的像差。它使不同波长光线的像高不同,在理想像平面上物点的像成为一条小光谱。
这是两种最基本的色差,由于波长不同还会引起单色像差的不同,这称为色像差,如色球差、色彗差等。如果物平面处在无穷远,上述物高应换为物点的视角(即它和光轴的夹角)。
从物点发出的波面经理想光学系统后 ,其出射波面应该是球面。但实际光学系统存在像差,实际波面与理想面就有了偏差。当实际波面与理想波面在出瞳处相切时,两波面间的光程差就是波像差。