RLE-ME01-光学系统像差测量实验-实验讲义
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
1．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
实验1 光学系统像差的计算机模拟
1.1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。
1.2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。
1.3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
δ'）。如图1-1所示。
称为轴向球差，简称球差（L
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：
ts
t s x x x '''=-
式中，t x ',s x '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，其差别就是系统的畸变，如图1-5所示。
由畸变的定义可知，畸变是垂轴像差，只改变轴外物点在理想像面的成像位置，使像的形状产生失真，但不影响像的清晰度。
图1-5 畸变
1.4实验仪器
电脑主机及显示器一套、像差模拟软件
1.5实验步骤
1 在配套软件光盘中找到文件夹。
2 将此文件夹拷贝到电脑本地硬盘。
3 在文件夹中运行文件。
4 点击右侧按钮选取所需要模拟的像差现象图。
效果图如下：
图1-6-1 球差模拟效果图图1-6-2慧差模拟效果图
图1-6-3 像散模拟效果图
图1-6 像差模拟效果图
1.6 思考题
a. 场曲有什么特点，它与像散有什么关系？
答：场曲引起像面弯曲，场曲与孔径无关，它只是视场的函数，当视场为零时，不存生场曲；像散是由于场曲引起的，子午细光束交点与弧矢细光束交点重合时，不存生像散。
实验2平行光管的调节使用及位置色差的测量
2.1引言
平行光管是一种长焦距、大口径，并具有良好像质的仪器，与前置镜或测量显微镜组合使用，既可用于观察、瞄准无穷远目标，又可作光学部件，光学系统的光学常数测定以及成像质量的评定和检测。
2.2实验目的
a.了解平行光管的结构及工作原理
b.掌握平行光管的使用方法
c.了解色差的产生原理
d.学会用平行光管测量球差镜头的色差
2.3 基本原理
根据几何光学原理,无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上;反之,从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为一束平行光。如果将一个物体放在透镜的焦平面上,那么它将成像在无限远处。
图2-1 为平行光管的结构原理图。它由物镜及置于物镜焦平面上的分划板,光源以及为使分划板被均匀照亮而设置的毛玻璃组成。由于分划板置于物镜的焦平面上,因此,当光源照亮分划板后,分划板上每一点发出的光经过透镜后,都成为一束平行光。又由于分划板上有根据需要而刻成的分划线或图案,这些刻线或图案将成像在无限远处。这样,对观察者来说,分划板又相当于一个无限远距离的目标。
图2-1 平行光管的结构原理图
根据平行光管要求的不同,分划板可刻有各种各样的图案。图2-2 是几种常见的分划板图案形式。图2-2（a ）是刻有十字线的分划板,常用于仪器光轴的校正;图2-2 (b) 是带角度分划的分划板,常用在角度测量上;图2-2 (c) 是中心有一个小孔的分划板,又被称为星点板;图2-2 (d) 是鉴别率板,它用于检验光学系统的成像质量。鉴别率板的图样有许多种,这里只是其中的一种;图2-2 (e) 是带有几组一定间隔线条的分划板,通常又称它为玻罗板,它用在测量透镜焦距的平行光管上。
图2-2 分划板的几种形式
光学材料对不同波长的色光有不同的折射率，因此同一孔径不FC
F C L L L '''?=-同色光的光线经过光学系统后与光轴有不同的交点。不同孔径不同色光的光线与光轴的交点也不相同。在任何像面位置，物点的像是一个彩色的弥散斑，如图2-3所示。各种色光之间成像位置和成像大小的差异称为色差。
图2-3 轴上点色差
轴上点两种色光成像位置的差异称为位置色差，也叫轴向色差。对目视光学
系统用FC
L '?表示，即系统对F 光（486nm ）和C 光（656nm ）消色差 FC
F C L L L '''?=-（2-1） 对近轴去表示为
FC
F C l l l '''?=-（2-2） 根据定义可知，位置色差在近轴区就已产生。为计算色差，只需对F 光和C 光进行近轴光路计算，就可求出系统的近轴色差和远轴色差。
2.4 实验仪器
平行光管、球差镜头、CMOS 相机、电脑、机械调整架等。
图2-4 位置色差测量实验装配图
注意：1、在安装CMOS相机时，请根据螺纹螺距区分英制与公制螺纹孔，如需要使用英制1/4-20螺纹孔连接CMOS时，请使用英制-公制螺纹转接头，如下图：
英制-公制螺纹转接头
图2-5 CMOS相机安装图
2.5实验步骤
1 根据位置色差测量实验装配图安装所有的器件。
2 由于像差实验使用的星点像只有15μm，在较明亮的环境下无法通过肉眼观察到平行光管发光。如需检查平行光管光源是否连接正确，可直接目视平行光管出光口检查。
3平行光管发出的光较弱，实验时请关闭室内照明，并使用遮光窗帘。
4 根据CMOS 相机的使用说明书安装CMOS 相机的驱动程序和采集程序。
5 打开相机的采集程序，使用连续采集模式。此时如果显示图像亮度过高适当减小相机的增益值和快门速度。
6 打开平行光管电源盒开关，将亮度可调旋钮调制最大。拨动平行光管后端4档拨动开关（波动开关控制顺序为：关-红-绿-蓝），打开红色照明。
7 调整相机沿导轨方向移动，将CMOS 相机靶面调整到与待测镜头后焦点重合位置。此时可以在电脑屏幕上观察到待测镜头焦点亮斑。
8 调整平行光管照明亮度，使得显示亮斑亮度在饱和值以下。此时微调待测透镜下方的平移台，使得焦点亮斑最小且锐利。此时认为待测镜头后焦点与CMOS 靶面重合。记录此时的平移台千分丝杆读数值。
9 变换平行光管照明光源颜色。使用千分丝杆调整待测镜头与CMOS 相机之间的距离至焦点亮斑最小且锐利。分别记录此时的千分丝杆读数值。
10 根据公式测量待测镜头的位置色差值。
2.6实验数据处理
位置色差FC
F C L L L '''?=- FD
F D L L L '''?=- DC
D C L L L '''?=- 数据表如下：
L '?L '
2.7 思考题
a. 引起位置色差的根本原因？
答：不同的波长对应着不同的透镜折射率；透镜的折射率不同，光波会聚的焦点位置就不同，这是引起位置色差的根本原因。
实验3星点法观测光学系统单色像差
3.1引言
根据几何光学的观点，光学系统的理想状况是点物成点像，即物空间一点发出的光能量在像空间也集中在一点上，但由于像差的存在，在实际中式不可能的。评价一个光学系统像质优劣的根据是物空间一点发出的光能量在像空间的分布情况。在传统的像质评价中，人们先后提出了许多像质评价的方法，其中用得最广泛的有分辨率法、星点法和阴影法（刀口法）。
3.2 实验目的
a.了解星点检验法的测量原理
b.用星点法观测各种像差
3.3实验原理
光学系统对相干照明物体或自发光物体成像时，可将物光强分布看成是无数个具有不同强度的独立发光点的集合。每一发光点经过光学系统后，由于衍射和像差以及其他工艺疵病的影响，在像面处得到的星点像光强分布是一个弥散光斑，即点扩散函数。在等晕区内，每个光斑都具有完全相似的分布规律，像面光
强分布是所有星点像光强的叠加结果。因此，星点像光强分布规律决定了光学系统成像的清晰程度, 也在一定程度上反映了光学系统对任意物分布的成像质量。上述的点基元观点是进行星点检验的基本依据。
星点检验法是通过考察一个点光源经光学系统后在像面及像面前后不同截面上所成衍射像通常称为星点像的形状及光强分布来定性评价光学系统成像质量好坏的一种方法。由光的衍射理论得知, 一个光学系统对一个无限远的点光源成像, 其实质就是光波在其光瞳面上的衍射结果, 焦面上的衍射像的振幅分布就是光瞳面上振幅分布函数亦称光瞳函数的傅里叶变换, 光强分布则是振幅模的平方。对于一个理想的光学系统, 光瞳函数是一个实函数, 而且是一个常数, 代表一个理想的平面波或球面波, 因此星点像的光强分布仅仅取决于光瞳的形状。在圆形光瞳的情况下, 理想光学系统焦面内星点像的光强分布就是圆函数的傅里叶变换的平方即爱里斑光强分布,即
212()()o J I r I D kr r r f F ψψππψλλ???=?????????===?'???
式中，()o I r I 为相对强度（在星点衍射像的中间规定为1.0），r 为在像平面上离开星点衍射像中心的径向距离，1()J ψ为一阶贝塞尔函数。
通常，光学系统也可能在有限共轭距内是无像差的，在此情况下(2)sin k u πλ'=，其中u '为成像光束的像方半孔径角。
无像差星点衍射像如图3-1所示，在焦点上,中心圆斑最亮, 外面围绕着一系列亮度迅速减弱的同心圆环。衍射光斑的中央亮斑集中了全部能量的80%以上, 其中第一亮环的最大强度不到中央亮斑最大强度2%的。在焦点前后对称的截面上, 衍射图形完全相同。光学系统的像差或缺陷会引起光瞳函数的变化, 从而使
对应的星点像产生变形或改变
其光能分布。待检系统的缺陷不同, 星点像的变化情况也不同。故通过将实际星点衍射像与理想星点衍射像进行比较, 可反映出待检系统的缺陷并由此评价像质。
图3-1 无像差星点衍射像
3.4实验仪器
平行光管、球差镜头、慧差镜头、像散镜头、场曲镜头、CMOS相机，机械调整架等
图3-2 轴上光线像差星点法观测示意图
3.5实验步骤
1 根据图3-2安装所有的器件。
2 将所有器件调整至同心等高。
3 打开平行光管光源，调整至任意颜色。打开CMOS相机采集程序，使用连续采集模式。
4 沿光轴方向调整CMOS相机位置，使得待测镜头焦斑像最小且锐利。
图3-3球差效果图
图3-4-1慧差效果示意图
图3-4-2场曲效果示意图
3-4-3像散效果示意图
图3-4轴外像差效果图
5 松开转台锁紧旋钮，转动转台，观察各种单色像差现象。轴外像差的效果图可参考图3-4。
6 当观察球差现象时，沿光轴方向移动CMOS相机，观察焦斑前后的光束分布。此时如需微调可将Y向一维滑块更换成X向平移台滑块。效果图可参考图3-3。
3.6 思考题
a.什么是星点检验法
星点检验法是通过考察一个点光源经光学系统后在像面及像面前后不同截面上所成衍射像（通常称为星点像）的形状及光强分布来定性评价光学系统成像质量好坏的一种方法。
实验4阴影法测量光学系统像差与刀口仪原理
4.1引言
刀口阴影法可灵敏地判别会聚球面波前的完善程度。物镜存在的几何像差使得不同区域的光线成到像空间不同位置上。刀口在像面附近切割成像光束，即可看到具有特定形状的阴影图；另一方面，物镜的几何像差对应着出瞳处的一定波像差，并由此可求得刀口图方程及其相应的阴影图。反之，由阴影图也可检测典型几何像差。刀口阴影法所需设备简单，检测法改变，直观，故非常有实用价值。
4.2实验目的
a.熟悉刀口阴影法检测几何像差原理
b.掌握球差的阴影图特征
c.利用图像处理方法测量轴向
4.3实验原理
对于理想成像系统, 成像光束经过系统后的波面是理想球面(如图4-1所示) , 所有光线都会聚于球心O。此时用不透明的锋利刀口以垂直于图面的方向向切割
) 时, 则原本均照亮的该成像光束, 当刀口正好位于光束会聚点O 点处(位置N
2
视场合变暗一些, 但整个视场仍然是均匀的(阴影图M
)。如果刀口位于光束交点
2
之前(位置N
) , 则视场中与刀口相对系统轴线方向相同的一侧视场出现阴影, 相
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