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光学系统像差测量实验

RLE-ME01

实

验

讲

义

版本：2012 发布日期：2012年8月

前言

实际光学系统与理想光学系统成像的差异称为像差。光学系统成像的差异是《工程光学》课程重要章节，也是教学的难点章节，针对此知识点的教学实验产品匮乏。RealLight?开发的像差测量实验采用专门设计的像差镜头，像差现象清晰；涉及知识点紧贴像差理论的重点内容，是学生掌握像差理论的非常理想的教学实验系统。

目录

光学系统像差的计算机模拟

1.1.引言1

1.2.实验目的1

1.3.实验原理1

1.4.实验仪器4

1.5.实验步骤4

1.6.思考题5

2. 平行光管的调节使用及位置色差的测量

2.1.引言6

2.2.实验目的6

2.3.实验原理6

2.4.实验仪器7

2.5.实验步骤8

2.6.实验数据处理9

2.7.思考题9

3. 星点法观测光学系统单色像差

3.1.引言10

3.2.实验目的10

3.3.实验原理10

3.4.实验仪器11

3.5.实验步骤12

3.6.思考题14

4. 阴影法测量光学系统像差与刀口仪原理

4.1.引言15

4.2.实验目的15

4.3.实验原理15

4.4.实验仪器16

4.5.实验步骤16

4.6.思考题17

5. 剪切干涉测量光学系统像差

5.1.引言18

5.2.实验目的18

5.3.实验原理18

5.4.实验仪器21

5.5.实验步骤21

5.6.思考题26

6. 参考文献

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实验1 光学系统像差的计算机模拟

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。

实验目的

掌握各种几何象差产生的条件及其基本规律，观察各种象差现象的计算机模拟效果图。

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。

a.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()。如图1-1所示。

图1-1 轴上点球差

b.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

c.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：

式中，,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。例如，若直线在子午面内其子午像是弥散的，而弧矢像是清晰的；若直线在弧矢面内，其弧矢像是弥散的而子午像是清晰的；若直线既不在子午面内也不在弧矢面内，则其子午像和弧矢像均不清晰，故而影响轴外像点的成像清晰度。

d.场曲

使垂直光轴的物平面成曲面像的像差称为场曲。如图1-4所示。

子午细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的子午场曲；弧矢细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的弧矢场曲。而且即使像散消失了(即子午像面与弧矢像面相重合)，场曲依旧存在(像面是弯曲的)。

场曲是视场的函数，随着视场的变化而变化。当系统存在较大场曲时，就不能使一个较大平面同时成清晰像，若对边缘调焦清晰了，则中心就模糊，反之亦然。

图1-4 场曲

e.畸变

畸变描述的是主光线像差，不同视场的主光线通过光学系统后与高斯像面的交点高度并不等于理想像高，其