实验光学像差观察
工程光学讲稿像差
n
n'( >n)
UA O A'
物点位于球面旳球心处，即 L=r此时物点
发出旳全部光线将沿球面旳法线方向入射
，即入射角I=0根据折射定律，折射角也
C
-U
A,A'
I'=0,光线无偏折地经过球面，像点也将位
于球心处，即L'=r。
(3) sinI’－sinU＝0，即I’＝U，因为
L0
sin I' n sin I / n' n(L r)sinU / n'r
§6－2 轴上点旳球差
一、 球差定义及表达措施
1、轴向球差
由实际光线旳光路计算公式知，当物距L为定值时，像距L’与入射高 度h1及孔径角U有关，伴随孔径角旳不同，像距L‘是变化旳，即如图所示：
轴上点A点发出旳光束，对于光轴附近旳光用近轴光路计算公式，像点为 A0’（看作高斯像点），对于实际光线采用实际光计算公式，成像于A’1 （实际像）。
(sin I (L-r)sinU r)
故可得： L （n Ln'） rn/nnn ' r
同I '理，U由sin I sUinU' '可得出
L ' 0A'
L' (n n')r / n'
I
-U AC
n
-I' n'( <n)
由上式拟定得共轭点，不论孔径角U多大，均不产生球差。由上式也可 得出，nL＝n’L’ ，则垂轴放大率β＝nL’/n’L=(n/n’)2
单色像差——光学系统对单色光成像时所产生旳像差。 几何像差： 球差、彗差、像散、场曲、畸变 。
色差——不同波长成像旳位置及大小都有所不同。
几何光学 像差 光学设计
几何光学像差光学设计
几何光学是指利用对光的几何性质来研究和探索光传播过程以及实现特定功能的科学。
它通过分析光在折射、反射、衍射和其他辐射媒介中的传播规律，以及光在不同介质中传播时所形成的图像，来研究和设计光学系统和光学元件。
像差是指一个光学系统中，光线穿过光学系统时，其形状改变而产生的现象。
像差是由于光线在光学系统中的反射、折射和衍射而产生的，也是光学系统的重要特性之一。
像差的大小决定了光学系统的成像质量，如果像差太大，则成像效果会受到影响。
因此，像差的测试和分析是设计光学系统的重要环节。
光学设计是将光学原理应用于实际产品开发的过程，例如镜头、显微镜、望远镜、光谱仪等。
光学设计涉及大量的几何光学计算，需要精确计算和模拟光线在光学系统中的传播规律，以满足输出图像的要求。
在设计过程中，还要考虑到光学系统中像差的大小，并采取相应的措施，以保证光学系统的最终成像质量。
几何光学是光学设计的基础，它主要研究光在物体上的反射、折射和衍射等现象，以及光在不同介质中传播时所形成的图像。
几何光学可以帮助我们理解光在物体上的
传播规律，并用于光学系统的设计。
像差是光学系统设计中一个重要的指标，需要在设计过程中重点关注和考虑。
光学设计是一个包括几何光学和像差在内的复杂的设计过程，需要考虑光学系统中的各种元素，以及光学系统的计算和模拟，以便获得最终的优良成像质量。
在光学设计中，几何光学和像差是必不可少的概念，必须正确理解和使用，以便设计出高质量的光学系统。
光学系统的像差
如光学系统存在正畸变即实际像高大于 理想像高，所成的像为枕形，负畸变则 成桶形。
畸变只引起变形，不影响像的清晰度
21
畸变
光学系统对共轭面上不同高度的 物体垂轴放大率不同产生畸变.
桶形畸变 负畸变
枕形畸变
物
正畸变
像
像失真，但不影响像 的清晰度（是由于垂 轴放大率不同）.
22
畸变使像变形
23
理想成像的要求 出入射光束为同心光束，只有近轴区成
像才是理想成像。
1
像差概念的导出
实际光学系统中,存在着远轴区产生的实际 像与近轴区产生的理想像之间的偏离。此时, 从物体上任一点发出的光束通过光学系统后 不能会聚为一点,而形成一弥散斑,使像不能 严格地表现出原物体形状,这就是像差。
2
实际光学系统中轴上点的成像
30
近轴物近轴光线成像的色差
123
不同波长的光，焦距不同,像的位置不 同．在1,2,3三截面上,形成的光环半
径不同.
31
色差严重影响光学系统成像性质，一般 光学系统都必须校正色差。可以用正负 透镜适当组合来校正位置色差。
32
影响位置色差的主要因素：
随孔径角的增大而增大 与光学材料的折射率和色散率有关 与透镜的焦距有关
五、色像差
用白光进行成像时，除了每种单色光仍会产生 五种单色像差外，还会因不同色光有不同折射率 造成的色散，而使不同的色光有不同的传播光路， 从而呈现出因不同色光的光路差别而引起的像差， 称之为色像差（简称色差）。色像差因性质不同 而分为位置色差和倍率色差两种。
24
•色差:
位置（轴向）色差 倍率（横向）色差
B
37
倍率色差随视场的增大而增大，由于倍 率色差的存在，使物体边缘呈现彩色， 从而，造成白光所成的像呈现彩色斑。
几何光学中的像差分析及其校正方法研究
几何光学中的像差分析及其校正方法研究几何光学是传统光学学科的一部分，涉及了从摄影机、显微镜到望远镜的各种光学仪器的设计和制造。
在光学仪器的设计中，像差是常见的问题之一。
像差是指在光学成像过程中，由于光线的物理性质导致成像畸变的情况。
解决像差问题是提高光学仪器成像质量的关键步骤之一。
本文将介绍几何光学中的像差分析及其校正方法研究。
一、常见的像差类型在几何光学中，常见的像差类型有球差、彗差、像散、畸变和直观像差。
（1）球差球差是由于透镜的几何形状不是完美的球面而产生的。
球差的表现形式是，离轴处成像的点与轴上成像的点之间有一个球形偏移。
球差主要受透镜的曲率和入射光的位置的影响。
（2）彗差彗差是由于透镜离开球形形状所引起的，是光线不在经过透镜的中心而偏离所造成的。
因此，彗差通常发生在非对称的光路中。
彗差表现为像呈现为一条线。
（3）像散像散是由于不同波长的光线通过不同的透镜成像位置不同而产生的。
像散通常发生在有色物体的成像中。
像散表现为不同颜色的像位置不同。
（4）畸变畸变是由于透镜离轴处成像畸变所引起的。
畸变可以分为桶形畸变和枕形畸变两种形式。
桶形畸变表现为离轴处像比中心位置像缩小，而枕形畸变则表现为像在中心位置比离轴处像缩小。
（5）直观像差直观像差是由于双眼视差造成的。
这种像差只在使用立体投影设备时才会发生。
二、像差的校正方法几何光学中的像差问题对光学成像效果产生很大的影响，因此需要进行校正。
像差的修正方法主要分为机械校正和光学增透膜校正。
（1）机械校正机械校正是通过调整光学设备的物理组成来修正像差。
例如针对球差，可以通过调整镜头的半径或透镜的位置来减少球差。
针对像散和彗差，可以通过调整光路长度的方法来校正。
（2）光学增透膜校正光学增透膜校正是针对透镜表面特殊的膜层来纠正像差的。
这种膜层可以设计成具有衍射干涉能力的结构。
当入射光经过增透膜时，在不同的光程下呈现出对应的基态一次性干涉。
通过设计增透膜的结构，可以校正不同类型的像差。
光学系统波前像差的测定 夏克-哈特曼光电测量法-最新国标
目次1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 术语和定义 (1)4 原理 (2)夏克-哈特曼光电测量法 (2)光学系统波前像差测量 (3)光学零件的面形偏差的测量 (4)5 测量条件 (6)测量环境 (6)样品 (6)6 设备及装置 (6)夏克-哈特曼波前像差测量仪 (6)辅助镜头 (7)7 测量步骤 (7)测量前准备 (7)选择波前复原方法 (7)对准 (8)测量与数据的判定 (8)8 测量数据处理 (8)9 精密度 (8)10 测量报告 (9)附录A（资料性）波前复原方法 (10)附录B（资料性）Zernike多项式序列 (13)光学系统波前像差的测定夏克-哈特曼光电测量法1 范围本文件描述了采用夏克-哈特曼光电测量法测量光学系统波前像差的原理、测量条件、设备及装置、测量步骤、测量数据处理、精密度和测量报告。
本文件适用于采用夏克-哈特曼光电测量法测量光学系统波前像差的测试，也适用于采用夏克-哈特曼光电测量法测量光学零件面形偏差的测试。
2 规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。
3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。
波前wavefront又称波面。
光波传播时的等相位面。
[来源:GB/T 13962—2009，2.28,有修改]3.2波前像差wavefront aberration又称波像差。
通过光学系统后的实际波前相对于理想波前的偏差。
[来源:GB/T 13962—2009，5.2，有修改]3.3面形偏差surface form deviation被测光学表面相对于参考光学表面的偏差。
[来源：GB/T 2831—2009，3.1]3.4波前重构wavefront reconstruction通过子孔径的斜率计算得到入射波前的相位分布的过程。
3.5口径diameter仪器能够检测的光学零件或系统的通光孔径。
3.6自准直法autocollimation method使平行光管发出的平行光照射在试样上，再由试样反射回平行光管，根据焦点附近像的情况测定试样的倾斜等的方法。
光信息技术9 光学系统像差理论综合实验
实验九光学系统像差理论综合实验（一）光学系统像差的计算机模拟如果成像系统是理想光学系统，则同一物点发出的所有光线通过系统以后，应该聚焦在理想像面上的同一点，且高度同理想像高一致。
但实际光学系统成像不可能完全符合理想，物点光线通过光学系统后在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束，该像散光束的位置和结构通常用几何像差来描述。
一、实验目的1.掌握各种几何象差产生的条件及其基本规律；2.观察各种象差现象的计算机模拟效果图。
二、实验原理光学系统所成实际象与理想像的差异称为像差，只有在近轴区且以单色光所成像之像才是完善的（此时视场趋近于0，孔径趋近于0）。
但实际的光学系统均需对有一定大小的物体以一定的宽光束进行成像，故此时的像已不具备理想成像的条件及特性，即像并不完善。
可见，象差是由球面本身的特性所决定的，即使透镜的折射率非常均匀，球面加工的非常完美，像差仍会存在。
几何像差主要有七种：球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差及倍率色差。
前五种为单色像差，后二种为色差。
1.球差轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点（理想像点）有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，简称球δ'）。
如图1-1所示。
差（L图1-1 轴上点球差2．慧差彗差是轴外像差之一，它体现的是轴外物点发出的宽光束经系统成像后的失对称情况，彗差既与孔径相关又与视场相关。
若系统存在较大彗差，则将导致轴外像点成为彗星状的弥散斑，影响轴外像点的清晰程度。
如图1-2所示。
图1-2 慧差3.像散像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主光线的细光束经光学系统后，其子午焦线与弧矢焦线间的轴向距离表示：tst s x x x '''=- 式中，t x '，sx '分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线会得到不同形状的物至理想像面的距离，如图1-3所示。
图1-3 像散当系统存在像散时，不同的像面位置会得到不同形状的物点像。
第五节光学系统像差理论综合实验
第五节光学系统像差实验一、引言如果成像系统是理想光学系统，则同一物点发出的所有光线通过系统以后应该聚焦在理想像面上的同一点，且高度同理想像高一致。
但实际光学系统成像不可能完全符合理想，物点光线通过光学系统后在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束，该像散光束的位置和结构通常用几何像差来描述。
二、实验目的掌握各种几何像差产生的条件及其基本规律，观察各种像差现象三、基本原理光学系统所成实际像与理想像的差异称为像差，只有在近轴区且以单色光所成像之像才是完善的（此时视场趋近于0,孔径趋近于0）。
但实际的光学系统均需对有一定大小的物体以一定的宽光束进行成像，故此时的像已不具备理想成像的条件及特性，即像并不完善。
可见，像差是由球面本身的特性所决定的，即使透镜的折射率非常均匀，球面加工的非常完美，像差仍会存在。
几何像差主要有七种：球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差及倍率色差。
前五种为单色像差，后二种为色差。
1. 球差轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点（理想像点）有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，简称球差（6L"）。
如图1-1所示。
Lin图i-i轴上点球差2. 慧差彗差是轴外像差之一，它体现的是轴外物点发出的宽光束经系统成像后的失对称情况，彗差既与孔径相关又与视场相关。
若系统存在较大彗差，则将导致轴外像点成为彗星状的弥散斑，影响轴外像点的清晰程度。
如图1-2所示。
3像散像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主光线的细光束经光学系统后，其子午焦线与弧矢焦线间的轴向距离表示：X ts 二人 - X s式中，X t ,X s 分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线会得到不同形状的物至理想像面的距离，如图1-3所示。
图1-3像散当系统存在像散时，不同的像面位置会得到不同形状的物点像。
若光学系统 对直线成像，由于像散的存在其成像质量与直线的方向有关。
光学系统成像的像差的描述
光学系统成像的像差的描述在光学系统中，成像的品质受到多种因素的影响，其中最主要的因素之一就是像差。
像差是指光学系统由于各种原因导致成像结果与理想成像结果的差异。
在实际应用中，我们需要尽可能减小像差，以获得清晰、准确的成像。
1.球差球差是由于光线通过透镜时，不同离轴位置的光线聚焦点与光轴上的光线聚焦点不一致而产生的像差。
球面透镜会使离轴光线聚焦于球心之前或之后，从而导致像差。
为了减小球差，可以采用非球面透镜或者多个球面透镜组合的方法。
2.色差色差是指不同波长的光线通过透镜后，其聚焦点位置不同所引起的像差。
由于光线的折射率随着波长的不同而变化，所以不同波长的光线在经过透镜后会有不同的折射效果，从而导致色差。
为了减小色差，可以采用消色差透镜、复合透镜等方法。
3.像散像散是指透镜或者光学系统在聚焦光线时，不同位置的光线聚焦点不在同一平面上而产生的像差。
像散分为径向像散和切向像散两种。
径向像散是指光轴上的光线与离轴光线在像平面上的聚焦点不一致，而切向像散则是指光轴上的光线与离轴光线在像平面上的聚焦点不在同一条直线上。
为了减小像散，可以采用适当的光学元件，如棱镜等。
4.畸变畸变是指光学系统在成像过程中，使得直线或者平面失真的现象。
畸变分为径向畸变和切向畸变两种。
径向畸变是指光线通过光学系统后，离轴的像点与光轴上的像点之间的距离不一致，而切向畸变则是指光线通过光学系统后，离轴的像点与光轴上的像点之间的位置关系不一致。
为了减小畸变，可以采用非球面透镜或者适当的校正方法。
5.散焦深度散焦深度是指光学系统在成像过程中，能够保持清晰成像的距离范围。
当物体与透镜或者光学系统的距离超出散焦深度时，成像会变得模糊不清。
散焦深度受到孔径大小和焦距的影响。
为了增加散焦深度，可以使用小孔径和长焦距的透镜。
光学系统成像的像差是由于光线经过透镜或者光学系统时，由于各种因素导致成像结果与理想成像结果的差异。
常见的像差包括球差、色差、像散、畸变和散焦深度等。
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福建农林大学 物理实验要求及原始数据表格
1 实验 光学像差的观察
专业___________________ 学号___________________ 姓名___________________
一、预习要点
1. 了解色差、球差、景深、慧差的概念及成像规律；
2. 了解如何调节光学系统的等高共轴，如何使用左右逼近法记录成像位置；
3. 在课前写好预习报告，上课时务必将预习报告和原始数据表格一并带来，否则扣分。
二、实验内容
分别观察与测量色差、球差和景深，并计算表格中其余物理量；观察慧差（选做）。
三、实验注意事项
1. 实验开始前，不得随意触碰仪器，否则扣分；实验时，不得用手触摸透镜的光学面，玻璃制品
易碎，应轻拿轻放，暂时不需要使用的光学元件，应插在架子上，避免跌落等造成损坏；实验结束后，将白光源以外的光学元件全部插在架子上，所有光具座留在光学导轨上；
2. 每进行一项实验，在摆放好光学元件后，都应利用透镜的二次成像法调节系统的等高共轴；
3. 在记录成像位置时，都必须使用左右逼近法来寻找成像清晰的范围；
4. 为减少光学实验对眼睛的伤害，本实验全部为单次测量，在寻找清晰的像时，应尽可能准确；
5. 光学导轨的最小分度值为1mm ，读数时以mm 为单位，估读到0.1mm 。
四、数据处理要求（将答案填入数据表格即可）
利用高斯公式求出实验中所有相距的理论值uf v u f
=+理；计算所有表格中的成像范围R L d x x =-、平均值()2L R x x x =+以及相距的测量值=v x x -凸测。
五、思考题与实验总结
1. 根据表1的实验数据完成以下空格：观察色差时，不同色光的成像位置不同，从左到右依次为
________色（波长范围________~________nm ）、________色（波长范围________~________nm ）和________色（波长范围________~________nm ）；其中，________色光与白色光的清晰成像位置差别最大。
波长越短，成像位置越________（填“远”或“近”），折射率越________（填“大”或“小”）。
2. 根据表2的实验数据完成以下空格：观察球差时，放置环形、圆形球差屏与无球差屏时，成像
位置不同，从左到右依次为________球差屏、________球差屏和________球差屏，其中，清晰成像范围最大的是________球差屏。
透镜的焦距越大，折射率越________，球差越________（以上两空均填“大”或“小”）。
3. 根据表3的实验数据完成以下空格：观察景深时，在固定焦距和物距的情况下，光圈越小，景
深越________（填“深”或“浅”）。
在实际拍摄中，若要得到清晰的主体和模糊的背景，应设置________（填“大”或“小”）光圈得到________（填“深”或“浅”）景深。
4. 复习：用文字说明凸透镜和凹透镜的三条特殊光线，并分别作出光路图。
5. 请描述观察慧差时，你所看到的实验现象。
（选做题，本题答案写在报告纸上第4页“思考题解
答”处，不抄题目）
6. 实验总结（本题答案写在报告纸上第4页“实验总结
”处）
福建农林大学 物理实验要求及原始数据表格
2 （对本次实验过程及结论的总结，对实验的意见和建议）
六、原始数据记录表格
成绩__________ 教师签字_______________组号________ 同组人姓名____________________ 表1 色差的观察与测量 单位 mm
表2 球差的观察与测量
2-1 当物距150.0mm u =-时，对60.0mm f =和100.0mm f =的凸透镜的测量 单位 mm
2-2 当物距350.0mm u =-时，对100.0mm f =和200.0mm f =的凸透镜的测量 单位 mm
表3 景深的观察与测量 单位 mm
表4 慧差的观察（选做）
使用 红 / 绿色滤色片，用 方法一 / 方法二进行观察，拍下照片或视频，在课后作业中完成思
福建农林大学物理实验要求及原始数据表格
考题的第4题。
3。