像差(Aberration)

2021-03-05 17:19:16 浏览:1928

定义

像差是光学中,实际像与根据单透镜理论确定的理想像的偏离。这些偏离是折射定律非线性造成的。

色差是由透镜材料对不同波长的光的折射率不同导致对应焦距不同所致,会造成带有色晕的像。单色像差与是与波长无关的像差,包括使畸变、像场弯曲等变形像差和面像、形像、散光等使像模糊的像差。像差在照相机、望远镜和其他光学仪器中可以通过透镜的组合来减小到最低限度。

初阶像差分为五种:球差、 彗差、 像散、 场曲、 畸变。

球差(Spherical Aberration)

在光学中,球差是发生在经过透镜折射的光线,接近中心与靠近边缘的光线不能将影像聚集在一个点上的现象。如图1所示,靠近光轴的光线会比离光轴较远的光线较为紧密的汇聚在一个点上,因此光线不能汇聚在一个理想的焦点上。

 

图 1 球差示意图

 

图  2 一个点光源在负球差(上)、无球差(中)、和正球差(下)的系统中的成像情形。左面的影像是在焦点内成像,右边是在焦点外的成像 

球差校正方法

凹凸透镜补偿法和非球面校正球差。可以采用增加透镜的方法,增加凹凸面,从而减小球差的大小;另外在不能增加透镜的情况下,常使用二次曲面来消除球差,即常说的非球面。

彗差(Coma)

此种像差的分布形状以类似于彗星的拖尾而得名。轴外物点发出的锥形光束通过光学系统成像后,在理想像面不能形成完善的像点,轴外视场不同孔径区域成像的放大率不同形成的。

 

图 3 彗差示意图

这是一些透镜固有的或是光学设计造成的缺点,导致离开光轴的点光源,产生变形。

彗差的形状有两种,彗星像斑的尖端指向视场中心的称为正彗差;彗星像斑的尖端指向视场边缘的称为负彗差;由于彗差没有对称轴只能垂直度量,所以它是垂轴像差的一种。

彗差会影响像的清晰度,使成像的质量降低;彗差对于大孔径系统和望远系统影响较大;彗差的大小与光束宽度、物体的大小、光阑位置、光学系统内部结构(折射率、曲率、孔径)有关;对于某些小视场大孔径的系统(如显微镜),常用“正弦差”来描述小视场的彗差特性;正弦差等于彗差与像高的比值。

彗差校正方法

单一透镜或透镜系统的彗差,可以经由选择适当的透镜表面曲率有效的降低(某些情况下可以被消除)以合于应用。在单一的波长下,球差和彗差都最小的透镜称为“最佳形式”或齐明透镜。而目前削减彗差最普遍的方法就是使用非球面镜。彗差的消除方法:使用对称的结构,这种方法不仅只对彗差校正,对象散、场曲、和畸变的校正作用也非常有帮助。

像散(Astigmatism)

定义:由于发光物点不在光学系统的光轴上,它所发出的光束与光轴有一倾斜角。该光束经透镜折射后,其子午细光束与弧矢细光束的汇聚点不在一个点上。即光束不能聚焦于一点,成像不清晰,故产生像散。

 

图 4 点光源像散光线图 

就整个细光束而言,在子午焦点处得到的是一垂直于子午平面的短线,称为子午焦线;在弧矢交点处得到的是一垂直于子午焦线,且位于子午平面上的短线,称为弧矢焦线;在其他位置上,光束截面为椭圆弥散斑;在二焦线的中间位置上为一圆形弥散斑,如图所示。这种结构的光束称为像散光束;这种成像缺陷称为像散。像散的数值以两焦点投影到光轴上的间距Δx表示。

像散也是影响清晰度的轴外点单色像差。当视场很大时,边缘上的物点离光轴远,光束倾斜大,经光学系统后则引起像散。像散使原来的物点在成像后变成两个分离并且相互垂直的短线,在理想像平面上综合后,形成一个椭圆形的斑点。像散是通过复杂的透镜组合来消除。从原理上来说,简而言之,就是子午像点和弧矢像点不重合。造成不同轴向位置成像不同。

像散与光学系统相关的影响因素仅与视场有关。视场越大,像散现象越明显。若是发光点在齐明点(同时消除了球差和慧差的一对共轭点)或是球心位置,无像散。

消除像散的方法

由于像散是轴外视场物点成像的不完美性造成的,可以通过调节视场光阑的位置来减小象散的影响。通常视场光阑远离镜头组象散会减小,最常用的是使用对称结构系统,同彗差消除方法一样,而且对称结构可以同时校正这些轴外像差。

场曲(Field Curvature)

像场弯曲,简称场曲,是因镜片缺陷,使垂直于主光轴的物平面上发出的光经透镜成像后,清晰的最佳实像面不是平面而是一个曲面的一种像差。

 

图 5 场曲示意图

可以通过优化视场光阑的位置来减小场曲。同样可以使用对称结构来有效地减小场曲,如可以在单透镜前面加一个单透镜,设计为对称式透镜组。

畸变(Distortion)

畸变是指当一物体通过透镜系统成像时,会产生一种对物体不同部分有不同的放大率的像差,此种像差会导致物像的相似性变坏。但不影响像的清晰度。 根据对物体周边及中心有放大率的差异此种像差可分为两类: 正畸变(枕形畸变):周边的放大率大于中心;负畸变(桶形畸变):周边的放大率小于中心。

图 6(a)桶形畸变(b)枕形畸变

位置色差

定义:位置色差,即各色光通过透镜时,不能在像平面上会聚成一个像点,这种色差,又叫作“轴向色差”。 位置色差是色差的一种,色差一般包括位置色差和倍率色差。

 

图 7 位置色差

 

图 8 严重色差图片

倍率色差

倍率色差是指当一物体通过透镜有不同波长的光成像时,由于放大率的不同从而使所成像的高度不同,此种像差称之为倍率色差。

 

图 9 倍率色差示意图 

色差的校正

对于色差的校正,通常使用双胶合消色差透镜,或三胶合复消色差透镜。根据材料色散特性不同,材料分为冕牌玻璃和火石玻璃,冕牌玻璃通常用K命名,表示色散能力较弱的材料,火石玻璃通常用F命名,表示色散能力比较强的材料。在光学设计中可以使用这两种玻璃材料的组合对色差进行补偿。

 

图 10 双胶合透镜矫正色差

参考文献

[1] 郁道银,谈恒英.工程光学[M].3版.北京:机械工业出版社,2011:103-112.
[2] https:// www.wikipedia.org/wiki/Optical_aberration.

参阅:理想光学系统、光阑

成像基本概念

作          者: 泮桥成像光电商城

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