光学像差理论

Posted ybqjymy

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了光学像差理论相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

整篇文章一个公式都不写了,我们就只看图说话吧~

 

什么是像差?

实际光学系统与理想光学系统之间存在很大的差异,即物空间的一个物点发出的光经实际光学系统后,不再成一理想像点,而是一个弥散斑,两者之间的差异称为像差。

技术图片

打个比方:

在实际光通信系统中,完全消除码间串扰和噪声是十分困难的,但是从眼图上可以观察出其影响,体现数字信号整体的特征,进而估计系统优劣程度,眼图分析就好比像差理论。

技术图片

眼图分析是光通信系统信号完整性分析的核心,而像差理论则是光学系统成像质量分析的核心。

 

像差分为两大类:几何光学像差和物理光学像差。

 

为什么像差要分几何光学像差和物理光学像差呢?

 

因为光有波粒二象性。

 

怎么解释光的波粒二象性呢?

 

好比一个人爬山,远看呢,他是直线方式往上爬,这种直线方式就是光的粒子性,所有才有了高中物理中的“光是沿着直线传播”的理论;

 

近看呢,他是曲线方式往上爬,这种曲线方式就是光的波动性,所有才有了光的衍射现象;

技术图片

所以,研究光的粒子性,就有了几何光学;研究光的波动性,就有了物理光学,对应的,像差也分几何光学像差和物理光学像差。

 

波粒二象性,看似对立,实则统一,就像曲线也是直线,直线就是曲线,怎么理解呢?微积分的思路就是曲线是由无数小的直线组成的,而直线则是曲率半径无穷大的直线。

 

再打个比方,水是此起彼伏震荡着前行的,从这个角度看,水是波动的,而常言“一江春水向东流”,这个宏观角度看,水的流动又是直线的,最终汇入大海。

 

这个道理跟《周易》所讲的“无平不坡”是一个意思,正所谓道法自然,很多看似高深的科学现象,用大自然的规律类比,很容易就能理解了。

 

言归正传,评判几何光学像差和物理光学像差都有那些指标呢?分别怎么理解呢?

 

几何光学像差主要有七种

技术图片

物理光学像差:波象差(实际波面与理想球面波的偏差)。

 

几何光学像差(将光分解为一根根的直线,计算各直线之间的关系来度量像差)

 

1.球差:

由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,若原光束不同孔径角的各光线,不能交于主轴上的同一位置,以致在主轴上的理想像平面处,形成一弥散光斑(俗称模糊圈),则此光学系统的成像误差称为球差。

技术图片

2.慧差:由位于主轴外的某一轴外物点,若在理想像平面处不能结成清晰点,而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑,则此光学系统的成像误差称为慧差。

技术图片

 3.场曲:最佳像面为一曲面。

技术图片

 4.像散:沿着光轴方向,相互垂直的两个方向成像的像点的距离;

技术图片

5.畸变:成像变形,源于边缘各光线成像高度不同。

技术图片

6.&7.色差:由白色物点向光学系统发出一束白光,经该光学系列折射后,组成该束白光的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色光,不能会聚于同一点,即白色物点不能结成白色像点,而结成一彩色像斑的成像误差,称为色差;

技术图片

波像差:

实际波面对理想波面的偏离(将光的传播看成一个整体移动的光波即波动性,用两个波面的光程差来定义);

瑞利判断认为,当光学系统的最大波像差小于¼波长时,其成像是完善的。

以上是关于光学像差理论的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

光学系统中的像差

光学系统中的像差

光学系统中的像差

[激光原理与应用-60]:激光器 - 光学 - 光的四大理论框架与其层次:几何光学波动光学电磁光学电子光学

图形学中的几何光学理论与视觉现象

基于物理的渲染(PBR)白皮书 PBR核心理论与渲染光学原理总结