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机械百科

像差

时间:2018-02-24 23:51:40   作者:   来源:   阅读:87   评论:0

    像差(全称色像差, aberration)是指实际光学系统中,由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致,与高斯光学(一级近似理论或近轴光线)的理想状况的偏差。像差主要分为球差、彗差、场曲、像散、畸变、色差以及波像差。词条对上述像差进行了详细的介绍。

像差简介

    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。
    赛德尔的五像差1856年德国的赛德尔,分析出五种镜头像差源之于单一色(单一波长)。此称为赛德尔五像差。

球差

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
 像差 
 处,此时对于任意孔径角,有I'=U,U'=I。

彗差

概念
彗差
彗差
    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。

场曲

像面弯曲
像面弯曲
    设球面物体Q与折射球面R同心。由分析可知,垂轴平面上的物体不可能成像在理想的垂轴像平面上,这种偏离现象随视场的增大而逐渐加大,使得垂直于光轴的平面物体经球面成像后变得弯曲。
    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。

像散

像散
像散
    当轴外物点发出一束很细的光束通过入瞳进入系统时,成对的宽光束光线之间的失对称现象将被忽略,球差也不会对细光束有大的影响。但是,光束各截面之间仍然存在着失对称现象,且随着视场的增大而愈加明显。轴外B点发出细光束在球面上所截得的曲面显然已不是一个对称的回转曲面,它在不同截面方向上有不同的曲率,并在子午和弧矢这两个相互垂直的截面方向上具有最大或最小的曲率,表现出最大的曲率差。子午和弧矢面上的细光束,虽然各自能会聚于主光线上的一点,但相互并不重合,即一个轴外物点以细光束成像,被聚焦为子午和弧矢两个像,这种像差我们称其为细光束像散。
    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。

畸变

歪曲像差
歪曲像差
    理想光学系统中,物像共轭面上的垂轴放大率为常数,所以像与物总是相似的。但在实际光学系统中,只有在近轴区域才有这样的性质。一般情况下,一对共轭面上的放大率并不是常数,随视场的增大而变化,即轴上物点与视场边缘具有不同的放大率,物和像因此不再完全相似,这种像对物的变形像差我们称为畸变。
    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。

色差

    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:
色差
色差
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)。

波像差

    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。

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