现代光学设计作业(2)

2019-03-27 16:19

3、干涉图

这是模拟系统波差在干涉仪上测出的干涉图图形。图中给出的是设定视场和色光的干涉图。

像差分类总结

总的来说,镜头的像差可以分成两大类,即单色像差及色差。

镜头的单色像差五种,它们分别是影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲,以及影响物象相似度的畸变。单色像差 对单色光而言的像差。按照理想像平面上像差的大小与物高、入射光瞳口径的关系可区分为:

1. 球差:球差是由于镜头的透镜球面上各点的聚光能力不同而引起的。从无穷远处来的平行光线在理论上应该会聚在焦点上。但是由于近轴光线与远轴光线的会聚点并不一致,会聚光线并不是形成一个点,而是一个以光轴为中心对称的弥散圆,这种像差就称为球差。球差的存在引起了成像的模糊,而从下图可以看出,这种模糊是与光圈的大小有关的。小光圈时,由于光阑挡去了远轴光线,弥散圆的直径就小,图像就会清晰。大光圈时弥散圆直径就大,图像就会比较模糊。

必须注意,这种由球差引起的图像模糊与景深中的模糊完全是两会事,不可以混为一谈的。球差可以通过复合透镜或者非球面镜等办法在最大限度下消除的。在照相镜头中,光圈数增加一档(光孔缩小一档),球差就缩小一半。我们在拍摄时,只要光线条件允许,可以考虑使用较小的光圈来减小球差的影响。

2. 慧差:彗差是在轴外成像时产生的一种像差。从光轴外的某一点向镜头发出一束平行光线,经光学系统后,在像平面上并不是成一个点的像,而是形成不对称的弥散光斑,这种弥散光斑的形状象彗星,从中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴,首端明亮、清晰,尾端宽大、暗淡、模糊。这种轴外光束引起的像差就称为彗差。彗差的大小既与光圈有关,也与视场有关。我们在拍摄时也可以采取适当采用较小的光圈来减少彗差对成象的影响。

3. 像散:当拍摄垂直于光轴的平面上的物时,经过镜头所成的像并不在一个像平面内,而是在以光轴为对称的一个弯曲表面上,这种成像的缺陷就是场曲。场曲是一种与孔径无

关的像差。靠减小光圈并不能改善因场曲带来的模糊。

4. 场曲:垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像,若不在一垂直于主轴的像平面内,而在一以主轴为对称的弯曲表面上,即最佳像面为一曲面,则此光学系统的成像误差称为场曲。

用存在场曲的镜头拍照时,当调焦至画面中央处影象清晰,画面四周影象就模糊;而当调焦至画面四周影象清晰时,画面中央处的影象又开始模糊,无法在平直的象平面上获得中心与四周都清晰的象。因此在某些专用照相机中,故意将底片处于弧形位置,以减少场曲的影响。由于广角镜头的场曲比一般镜头大,在拍团体照(经常使用广角镜头)时采用略带圆弧形的站位排列,就是为了提高边缘视场的象质。

5. 畸变:被摄物平面内的主轴外直线,经光学系统成像后变为曲线,则此光学系统的成像

误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状,而不影响影像的清晰度。 由于畸变的存在,物方的一条直线在像方就变成了一条曲线,造成像的失真。畸变可分为枕型畸变和桶型畸变两种。造成畸变的根本原因是镜头像场中央区的横向放大率与边缘区的横向放大率不一致。如下图所示,如果边缘放大率大于中央放大率就产生枕型畸变,反之,则产生桶型畸变。

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。 6 .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)。

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。

二、学习光学自动设计和两种常用自动设计程序的原理,掌握阻尼最小二乘法自动设计程序的使用方法,或掌握ZEMAX软件中的自动设计程序使用方法。

阻尼最小二乘法特点

不直接求解像差线性方程组,把各种像差残量的平方和构成一个评价函数。通过求评价函数的极小值解,使像差残量逐步减小,达到校正像差的目的。它对参加校正的像差数没有


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