光学基础知识简介PPT

像差
像差 指在光学系统中由透镜材料的特性和折 射（反射）表面的几何形状引起的实际像和 理想像的偏差。
像差－－实际光学系统成像的一系列缺陷
像差
球差 慧差 像散 场曲 畸变 轴向色差 垂轴色差
单色光像差
复色光像差
球差
轴上点发出的同心光束经光学系统中球面折 射后，将不为同心光束，不同倾角的光线交 光轴与不同的位置。 轴上点在像面得不到完善的像点，而是得到 一个弥散圆。 单正透镜产生负球差，单负透镜产生正球差
高 斯 像 面
e
c Bz ef ab
f
b
g
cd
gh
像散
轴外物点用细光束成像时形成两条相互垂 直且相隔一定距离的短线像的一种非对称像 差。 子午光束和弧矢光束分别成像为两条短线， 这两条短线不相交而相互垂直且隔一定距离
T’
S’
像 平 面
光阑 光学系统
场曲
物平面成曲面像的一种像差 实际光学系统不能使垂轴直线仍成像为垂轴 直线。 光学系统存在场曲时，不能使一个较大的平 面物体上的各点同时在同一个像面上成清晰 的像。若按中心调焦，中心清晰，边缘则模 糊，反之已然。
B
C A
畸变
横向（垂轴）放大率随视场的增大而变化所 引起的物像失去相似性的像差。
色差
白光由各种不同波长（颜色）的单色光组成 光学材料对不同波长的色光折射率不同，造 成了各色光之间成像位置和大小的差异。 由不同色光引起的像差称为色差。 轴向色差（位置色差） 垂轴色差（倍率色差）
光学玻璃
对折射率色散投射比光谱透射比和光吸收等光 学特性有特定要求，且光学性质均匀的玻璃。 按光学性质可分为冕牌玻璃和火石玻璃。各自 又分为多种，如：氟冕（FK）、冕（K）、钡 冕（BaK）、火石（F）、重火石（ZF） 冕牌玻璃低折射率，低色散。 火石玻璃高折射率，高色散。
光学玻璃一般有如下几种光学常 数： 折射率 nλ 阿贝常数 Vb=(nD-1)/(nF-nC) 中部色散 dn=nF-nC
物方视场角：在物空间中，入窗边缘对入瞳 中心的张角2。 像方视场角：在像空间中，出窗边缘对出瞳 中心的张角2 。 半视场角与可以表示光组视场的大小，因 此习惯上常把与称为视场角。
光学系统视场的表示方法
线视场：用能看到的物平面直径表示。 常用于近距离成像系统，如显微系统。 角视场：用物方视场角2和像方视场角2‘表 示。 常用于远距离成像系统，如望远镜，照相物 镜。
1
A
2
u1
A'
A
u1 u2
A'
1 2 A'
A
1
2
A
u1 u2
孔径光阑
限制成像光束的光阑。
1
A
2
u1
A'
A
u1 u2
A'
入瞳：孔径光阑被其前面光组在系统物空间 所成的像。 出瞳：孔径光阑被其后面光组在系统像空间 所成的像。 对于一定位置的物体而言，入瞳决定了能进 入系统成像的最大光束孔径，且是物面上各 点发出的成像光束进入系统的公共入口。
-U1
A
-u
U’
u’ A’
-δL’
O光束通过光学系统后，不会 聚在一点，而是呈彗星状图形的一种相对主 光线失对称的像差。 子午慧差和弧矢慧差 子午平面：由轴外物点和光轴所确定的平面 弧矢平面：过主光线且与子午平面垂直的平 面
K
a’ z’ Ok B a B d h b’ T
F/#
相对孔径的倒数。 F=f/D 光从无限远入射时的轴上有效焦距和近轴入 瞳孔径之比。
视场光阑
限制物体成像范围的光阑。
O
A1 A2
A3
入射窗：视场光阑被其前面光组在物空间所 成的像。 出射窗：视场光阑被其后面光组在像空间所 成的像。 入射窗限制物空间的成像范围。 出射窗限制像空间的成像范围。
轴向色差
同一透镜对不同色光有不同焦距，对一定物 距成像时，像距不同，按波长由短到长，像 点离开透镜由近到远地排列在光轴上。
A A’F O
1
O
k
A’c
垂轴色差
不同色光的焦距不等时，放大率也不等，因 而有不同的像高。
F D C A
B
实际光组中光束的限制
在实际光学系统中所用的光学零件总有 一定的大小，因此从一点出发能进入光学系 统的光束其立体角大小将取决于光学零件的 尺寸。 更确切地说，是夹持光学零件的金属框限 制了成像光束的大小，光学上把这种限制成 像光束的光孔称之为光阑
衍射极限
衍射极限指光学系统产生像差的原因不是设 计和制造缺陷，而是由于衍射物理效应。 简单说就是现有情况下所能达到的最好状况
光学传递函数OTF
把物的亮度分布分解为各种频率的谱（展成傅 立叶级数或傅立叶积分），研究光学系统对各 种空间频率亮度呈余弦分布目标传递能力。 调制传递函数MTF 相位传递函数PTF 高频部分反映对物体细节传递能力；中频反映 对物体层次传递能力；低频部分物体轮廓传递 能力。
数值孔径NA
显微和投影系统常用NA表示性能。 NA=n*sinUmax N为物方介质的折射率 物方孔径角越大，数值孔径越大，进入系统 的光能越多，理论分辨本领越高。
相对孔径A
望远和摄影系统常用相对孔径A表示性能。 A＝D/f D是入瞳直径，f是物镜焦距 焦距一定时，入瞳直径越大，其相对孔径也 越大，表明能进入系统的光能也越多。
物方孔径角：轴上物点发出的过入瞳边缘的 光线与光轴的夹角U。 像方孔径角：由出瞳边缘射至轴上像点的光 线与光轴的夹角U 。 过入瞳中心的光线称为主光线。其也过孔径 光阑和出瞳的中心。
孔径光阑只是对一定的物体位置而言的。
1
A u1 u2
2
1 A'
A
B
2
B’
A'
孔径角是表征实际光学系统功能的重要参数 之一，它决定了像的照度与系统的分辨细节 的能力。 光学系统的几种与孔径角有关的性能参数。 数值孔径NA，相对孔径A，F#