光学系统像差理论综合实验
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光学像差实验报告总结(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过光学像差实验，加深对光学像差的理解，掌握光学像差的基本原理和分类，并学会使用光学仪器测量和评估光学系统的像差。
二、实验原理光学像差是光学系统中存在的缺陷，会导致成像质量下降。
根据像差与颜色是否有关、像差是轴上点产生的还是轴外点产生的，可以将像差分为多种类型，如球差、慧差、像散、场曲、畸变等。
三、实验仪器与材料1. 光学系统：包括透镜、反射镜、光阑、光束整形器等；2. 光源：激光器；3. 探测器：光电探测器；4. 仪器：成像系统、光束整形器、光路控制器等。
四、实验内容1. 实验一：测量球差（1）搭建实验光路，将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接；（2）调整光路，使光线通过透镜后聚焦到探测器上；（3）改变物距，记录不同物距下探测器的信号强度；（4）分析信号强度与物距的关系，得出球差值。
2. 实验二：测量慧差（1）搭建实验光路，将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接；（2）调整光路，使光线通过透镜后聚焦到探测器上；（3）改变光轴倾斜角度，记录不同倾斜角度下探测器的信号强度；（4）分析信号强度与倾斜角度的关系，得出慧差值。
3. 实验三：测量像散（1）搭建实验光路，将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接；（2）调整光路，使光线通过透镜后聚焦到探测器上；（3）改变光轴倾斜角度，记录不同倾斜角度下探测器的信号强度；（4）分析信号强度与倾斜角度的关系，得出像散值。
4. 实验四：测量场曲（1）搭建实验光路，将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接；（2）调整光路，使光线通过透镜后聚焦到探测器上；（3）改变物距，记录不同物距下探测器的信号强度；（4）分析信号强度与物距的关系，得出场曲值。
5. 实验五：测量畸变（1）搭建实验光路，将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接；（2）调整光路，使光线通过透镜后聚焦到探测器上；（3）改变物距，记录不同物距下探测器的信号强度；（4）分析信号强度与物距的关系，得出畸变值。
光学系统的偏振像差分析_张颖
M ueller 算法 S tokes 矢量
强度计算 局部坐标 部分偏振光
s0
S=
s1 s2
s3
偏振光线追迹算法 偏振矢量
振幅计算 球坐标
绝对位相
单色光
Ex Ep = E y
Ez
M ueller 矩阵
M=
m 00 m 01 m02 m 03 m 10 m 11 m12 m 13
m 20 m 21 m22 m 23 m 30 m 31 m32 m 33
收稿日期 :2004-06-20 E-mail :sifanz hi ng @bit .edu .cn 作者简介 :张颖(1980-), 女 , 山西省人 , 北京理工大学信息科学技术学院光电工程系 博士研究生 , 主要 从事生物系统 检测及光学系统 偏
振像差分析方面的研究 。
2 02
第2期
关于偏振像差的研究从 20 世纪 50 年代就开始
光学系统的偏振称为仪器的偏振 。如果一个光
了 。 最初的分析只是简单的讨论了仪器偏振对某些
具体的光学系统的影响, 并没有进行系统的分 析[ 1 ～ 6] ;20 世纪 80 年代后 , 偏振像差的理论开始得
学系统是对偏振有严格要求的光学系统 , 则仪器偏 振就是非常有害的残余偏振像差 。残余偏振像差与 波像差一样 , 都会降低光学系统的成像质量 。仪器
tion aberration analy sis of rotationally symmetric optical systems, polarization aberration analysis of tilted and decentered optical
systems are described .Impo rtant effects of thin film design on polarization aberrations are also discussed .Finally , several meth-
光学像差的实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解光学像差的产生原理及分类；2. 掌握光学像差实验的基本方法；3. 通过实验观察不同类型的光学像差，加深对光学像差理论的理解。
二、实验原理光学像差是指实际光学系统在成像过程中，由于光线传播路径的偏差，导致成像质量下降的现象。
根据像差是否与颜色有关，可以分为色像差和色差；根据像差产生的位置，可以分为轴上像差和轴外像差。
本实验主要研究球差、彗差、像散和场曲等基本像差。
球差是由于光线在通过透镜时，不同入射角度的光线在像平面上聚焦到不同的位置，导致成像质量下降；彗差是由于光线在通过透镜时，同一入射角度的光线在像平面上聚焦到不同的位置，导致成像质量下降；像散是由于光线在通过透镜时，同一入射角度的光线在像平面上聚焦到不同的位置，导致成像质量下降；场曲是由于光线在通过透镜时，不同高度的光线在像平面上聚焦到不同的位置，导致成像质量下降。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：光学像差实验装置、光源、光阑、成像屏、光具座等；2. 实验材料：不同焦距的透镜、不同形状的光阑、成像屏等。
四、实验步骤1. 准备实验装置，将光源、光阑、透镜、成像屏等按照实验要求放置在光具座上；2. 调整光具座，使光源发出的光线垂直照射到透镜上；3. 观察不同类型的光学像差现象，并记录实验数据；4. 分析实验数据，得出结论。
五、实验结果与分析1. 球差实验：观察不同焦距的透镜在成像过程中的球差现象，发现球差随着焦距的增加而增大；2. 彗差实验：观察不同形状的光阑在成像过程中的彗差现象，发现彗差随着光阑形状的变化而变化；3. 像散实验：观察不同高度的光线在成像过程中的像散现象，发现像散随着高度的增加而增大；4. 场曲实验：观察不同高度的光线在成像过程中的场曲现象，发现场曲随着高度的增加而增大。
六、实验结论1. 光学像差是实际光学系统在成像过程中普遍存在的一种现象，对成像质量有较大影响；2. 通过实验，掌握了光学像差实验的基本方法，加深了对光学像差理论的理解；3. 在光学系统设计过程中，应充分考虑像差的影响，采取相应的措施进行像差校正，以提高成像质量。
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---------------------------------------------11.2.实验目的-----------------------------------------11.3.实验原理-----------------------------------------11.4.实验仪器-----------------------------------------41.5.实验步骤-----------------------------------------41.6.思考题-------------------------------------------52. 平行光管的调节使用及位置色差的测量2.1.引言---------------------------------------------62.2.实验目的-----------------------------------------62.3.实验原理-----------------------------------------62.4.实验仪器-----------------------------------------72.5.实验步骤-----------------------------------------82.6.实验数据处理-------------------------------------92.7.思考题-------------------------------------------93. 星点法观测光学系统单色像差3.1.引言---------------------------------------------103.2.实验目的-----------------------------------------103.3.实验原理-----------------------------------------103.4.实验仪器-----------------------------------------113.5.实验步骤----------------------------------------123.6.思考题------------------------------------------144. 阴影法测量光学系统像差与刀口仪原理4.1.引言--------------------------------------------154.2.实验目的----------------------------------------154.3.实验原理----------------------------------------154.4.实验仪器----------------------------------------164.5.实验步骤----------------------------------------164.6.思考题------------------------------------------175. 剪切干涉测量光学系统像差5.1.引言--------------------------------------------185.2.实验目的----------------------------------------185.3.实验原理----------------------------------------185.4.实验仪器----------------------------------------215.5.实验步骤----------------------------------------215.6.思考题------------------------------------------266. 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。
光学系统的像差
25
位置色差是描述2种色光对轴上物点成像 位置差异的色差。
26
正透镜位置色差图示
白光 A
C
F AC′
AF′
LF LC
-LFC
27
P
径轴 光上 线物 不点 聚发 焦出 于的 一大 点孔
28
负透镜位置色差图示
A
LFC -LF -LC
-L
29
因色差的存在，轴上点成像是一个弥散斑 ， 在a点和在c点看到的弥散斑颜色有何不同？
B
17
弧矢彗差：弧矢面上前、后光线的交点BS′到主 光线在垂直光轴方向的偏离，称为弧矢彗差，用
符号KS′表示。
18
19
畸变的产生
对于一般实际光学系统来说，只有在近 轴区垂轴放大率才是常数。当视场增大时， 像的垂轴放大率便会随视场变化而异，这将 会使像相对于原物失去相似性。这种使像变 形的成像缺陷就称为畸变。
33
上排为位置色差，下排为球差，两者均为轴上像差
34
35
倍率色差
此是一种因不同色光成像的高度（也即 倍率）不同而造成的像大小差异的色差。
它是以两种色光（此即F光和C光）的 主光线在高斯像面上的交点高度之差来度量， 以符号YFC′表示之。
36
倍率色差图示
入瞳 A
-YFC
BC′ C
F
BF′ YF YC
41
像散和场曲
轴外物点发出的同心 光束，由于此斜向细 光束的子午面和弧矢 面相对折射球面的位 置不同，使子午和弧 矢面在球面上的截线 曲率不同。使水平方 向和竖直方向的光线 的聚焦点在不同平面 上
42
（2）像散（轴外点细光束）
TS
像 面
物
光学设计实验(一)望远镜系统设计实验
光学设计实验（一）望远镜系统设计实验1 实验目的（1）通过设计实验，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用；（2）介绍光学设计ZEMAX 的基本使用方法，设计实验通过ZEMAX 来实现 2 设计要求(1) 设计一个8倍开普勒望远镜的目镜，焦距f’=25mm ，出瞳直径D ’=4mm ，出瞳距>22mm ，视场角2ω’=25︒；考虑与物镜的像差补偿，目镜承担轴外像差的校正，物镜承担轴上像差的校正。
（总分：30分）（2）设计一个8倍开普勒望远镜的物镜，其焦距、相对孔径D/f ’、视场角、像差补偿要求根据设计（1）的要求来确定，要求给出计算过程。
（总分：30分）（3）将上述物镜与目镜组合成开普勒望远镜，要求望远镜的出射光束角像差小约3’左右。
如不符合要求，可结合ZEMAX 中paraxial 理想光学面，通过控制视觉放大倍率和组合焦距为无限大（如f ’>100000）等手段。
（总分：30分）（4）回答和分析设计中的相关问题（总分：10分）所有设计中采用可见光（F ，d ，C ）波段。
问题1：望远光学系统和开普勒望远镜的特点问题2：目镜的光学特性和像差特点问题3：常用的目镜有哪些？常用的折射式望远物镜有哪些？ 问题4：望远镜系统所需要校正的主要像差有那些？提示：目镜采用反向光路设计，目镜包括视场光阑，注意目镜孔径光阑的设置。
判定出射光束角像差小约3’左右的方法：在像面前插入一个paraxial 类型的面，若该面焦距（即与像面之间的距离）为1000mm ，则Spot diagram 的Geo Radius 则应小1mm 。
m 91512.5COS 343831000COS 3438322'μω=⨯⨯=⨯⨯≤f R 3 设计流程所谓光学系统设计就是根据使用要求，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
因此我们可以把光学设计过程分为4个阶段：外形尺寸计算、初始结构的计算和选择、象差校正和平衡以及象质评价。
光学系统波前像差的测定 夏克-哈特曼光电测量法-最新国标
目次1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 术语和定义 (1)4 原理 (2)夏克-哈特曼光电测量法 (2)光学系统波前像差测量 (3)光学零件的面形偏差的测量 (4)5 测量条件 (6)测量环境 (6)样品 (6)6 设备及装置 (6)夏克-哈特曼波前像差测量仪 (6)辅助镜头 (7)7 测量步骤 (7)测量前准备 (7)选择波前复原方法 (7)对准 (8)测量与数据的判定 (8)8 测量数据处理 (8)9 精密度 (8)10 测量报告 (9)附录A（资料性）波前复原方法 (10)附录B（资料性）Zernike多项式序列 (13)光学系统波前像差的测定夏克-哈特曼光电测量法1 范围本文件描述了采用夏克-哈特曼光电测量法测量光学系统波前像差的原理、测量条件、设备及装置、测量步骤、测量数据处理、精密度和测量报告。
本文件适用于采用夏克-哈特曼光电测量法测量光学系统波前像差的测试，也适用于采用夏克-哈特曼光电测量法测量光学零件面形偏差的测试。
2 规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。
3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。
波前wavefront又称波面。
光波传播时的等相位面。
[来源:GB/T 13962—2009，2.28,有修改]3.2波前像差wavefront aberration又称波像差。
通过光学系统后的实际波前相对于理想波前的偏差。
[来源:GB/T 13962—2009，5.2，有修改]3.3面形偏差surface form deviation被测光学表面相对于参考光学表面的偏差。
[来源：GB/T 2831—2009，3.1]3.4波前重构wavefront reconstruction通过子孔径的斜率计算得到入射波前的相位分布的过程。
3.5口径diameter仪器能够检测的光学零件或系统的通光孔径。
3.6自准直法autocollimation method使平行光管发出的平行光照射在试样上，再由试样反射回平行光管，根据焦点附近像的情况测定试样的倾斜等的方法。
光学系统偏振像差的实验分析
（ 江 大 学 现 代 光 学 仪 器 国 家重 点 实验 室 ， 江 杭 州 ３ ０２ ） 浙 浙 １０ ７ 摘 要 ：为 了验 证 高 数 值 孔 径 、 入 射 角 、 光 谱 的 空 间 光 学 系 统 中 偏 振 像 差 的 存 在 ， 激 光 数 大 宽 在
字波 面干 涉仪 上对偏振 像 差进 行 了 实验研 究并做 了数据 分析 。 述 了偏振 像差 的 两种计 算 方法 ， 论 即偏
ｐ ｌｒｚ ｔｏ ｒｙ ｒ ｃｎ ｏａ ｉａ ｎ ａ ｔａ ｉｇ，ｗｅ ｅ ｅ ｃ ｂ ｄ ｎ ｈ ｉ ｐ ｒ Ｆ ｒ ｈ ｏ ｔｃ ｌ ｙ ｔｍ ｏ ｉ ｉａ ｌ ｓｒ ｗａ ｅ ｒ ｎ ｉ ｒ ｄ ｓ ｒ ｅ ｉ ｔ ｓ ｐａ ｅ ． ｏ ｔｅ ｐ ｉａ ｓ ｓｅ ｉ ｆ ｄ ｇｔｌ ａ ｅ ｖ ｆｏ ｔ
较 后 证 实 了光 学 系统 中偏 振 像 差 的 存 在 。
关键 词 ：偏振 像差 ； 偏振 光线 追迹 ； 光学 薄膜 ； 偏振 片
中 图 分 类 号 ： Ｂ１３ Ｔ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ７ ２ ７ （０００ — １４ ０ ． １０ — ２６２ １ ）１ ０２ — ５
加 了 ３ ． ％。 以看 出二 者基 本吻合 。 ４４ ８ 可 第一 次在激光 数 字波面 干涉仪上模 拟 了空 间光 学 系统 ， 并通过
实验 证 实 了 改 变 入 射 光 的 偏 振 态 可 以 改 变 系统 的偏 振 像 差 。 将 实验 测 得 的 结 果 和 软 件 模 拟 的 结 果 比
第３ ９卷 第 １期
ＶＯ ．９ １３ ＮＯ． １
红 外 与 激 光 工程
Ｉ ｆａｅ ｎ ａ ｅ ｇ ｎ ｒｒ ｄａ ｄＬ ｓ ｒ Ｅｎ ｇ
字波 面干 涉仪 上对偏振 像 差进 行 了 实验研 究并做 了数据 分析 。 述 了偏振 像差 的 两种计 算 方法 ， 论 即偏
ｐ ｌｒｚ ｔｏ ｒｙ ｒ ｃｎ ｏａ ｉａ ｎ ａ ｔａ ｉｇ，ｗｅ ｅ ｅ ｃ ｂ ｄ ｎ ｈ ｉ ｐ ｒ Ｆ ｒ ｈ ｏ ｔｃ ｌ ｙ ｔｍ ｏ ｉ ｉａ ｌ ｓｒ ｗａ ｅ ｒ ｎ ｉ ｒ ｄ ｓ ｒ ｅ ｉ ｔ ｓ ｐａ ｅ ． ｏ ｔｅ ｐ ｉａ ｓ ｓｅ ｉ ｆ ｄ ｇｔｌ ａ ｅ ｖ ｆｏ ｔ
较 后 证 实 了光 学 系统 中偏 振 像 差 的 存 在 。
关键 词 ：偏振 像差 ； 偏振 光线 追迹 ； 光学 薄膜 ； 偏振 片
中 图 分 类 号 ： Ｂ１３ Ｔ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ７ ２ ７ （０００ — １４ ０ ． １０ — ２６２ １ ）１ ０２ — ５
加 了 ３ ． ％。 以看 出二 者基 本吻合 。 ４４ ８ 可 第一 次在激光 数 字波面 干涉仪上模 拟 了空 间光 学 系统 ， 并通过
实验 证 实 了 改 变 入 射 光 的 偏 振 态 可 以 改 变 系统 的偏 振 像 差 。 将 实验 测 得 的 结 果 和 软 件 模 拟 的 结 果 比
第３ ９卷 第 １期
ＶＯ ．９ １３ ＮＯ． １
红 外 与 激 光 工程
Ｉ ｆａｅ ｎ ａ ｅ ｇ ｎ ｒｒ ｄａ ｄＬ ｓ ｒ Ｅｎ ｇ
光学设计实验实验报告
实验名称：光学系统设计实验日期：2023年4月10日实验地点：光学实验室实验人员：张三、李四、王五一、实验目的1. 熟悉光学系统设计的基本原理和方法。
2. 学会使用光学设计软件进行光学系统的设计。
3. 通过实验，提高对光学系统性能参数的评估能力。
二、实验原理光学系统设计是根据光学系统的性能要求，运用光学原理和设计方法，选择合适的元件，确定光学系统的结构参数和光学元件的尺寸。
本实验采用ZEMAX软件进行光学系统设计。
三、实验内容1. 设计一个具有特定性能要求的光学系统。
2. 使用ZEMAX软件进行光学系统设计。
3. 优化光学系统，提高其性能。
4. 分析光学系统的性能参数。
四、实验步骤1. 设计光学系统根据实验要求，设计一个成像系统，要求物距为100mm，像距为150mm，放大倍数为1.5倍，系统分辨率为0.1角秒。
2. 使用ZEMAX软件进行光学系统设计（1）创建新的光学设计项目，设置系统参数。
（2）选择合适的透镜材料，创建透镜元件。
（3）根据设计要求，设置透镜的尺寸和位置。
（4）创建光阑，设置光阑的位置和尺寸。
（5）创建探测器，设置探测器的尺寸和位置。
3. 优化光学系统（1）调整透镜的形状和位置，优化系统性能。
（2）调整光阑的位置和尺寸，提高系统分辨率。
（3）调整探测器的位置和尺寸，提高系统成像质量。
4. 分析光学系统的性能参数（1）计算系统的MTF（调制传递函数）和ROI（光圈直径）。
（2）分析系统的像差，包括球差、彗差、场曲、畸变等。
（3）计算系统的入射光束和出射光束的传播方向和光强分布。
五、实验结果与分析1. 光学系统设计结果根据实验要求，设计了一个成像系统，其物距为100mm，像距为150mm，放大倍数为1.5倍，系统分辨率为0.1角秒。
使用ZEMAX软件进行设计，最终得到一个满足要求的光学系统。
2. 光学系统性能分析（1）MTF分析：根据ZEMAX软件的计算结果，该系统的MTF在0.1角秒处达到0.25，满足设计要求。
第五节 光学系统像差理论综合实验
第五节光学系统像差实验一、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。
二、实验目的掌握各种几何像差产生的条件及其基本规律，观察各种像差现象。
三、基本原理光学系统所成实际像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，像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。
1.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2．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3.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：tst 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。
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2
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
5.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
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）。
二、 实验目的 1. 了解星点检验法的测量原理 2. 用星点法观测各种像差
光学系统所成实际像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，像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。
的傅里叶变换的平方即爱里斑光强分布,即
I (r) Io
2 J1 (
)
2
kr
D f
r
F
r
式中， I (r) Io 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， J1( ) 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．调节平行光管、被测镜头和 CMOS 相机，使它们在同一光轴上。具体操作 步骤：先取下星点板，使人眼可以直接看到通过平行光管和被测镜头后的会聚 光斑。调节被测镜头和 CMOS 相机的高度及位置，使平行光管、被测镜头和 CMOS 相机靶面共轴，且会聚光斑打在 CMOS 相机靶面上。 3．装上 25 m 的星点板，微调 CMOS 相机位置，使得 CMOS 相机上光斑亮度 最强，如图 2-5a 所示。此时在平行光管上加上蓝光（F）滤色片，可以看见视 场变暗，此时调节 CMOS 相机下方的平移台，使 CMOS 相机向被测镜头方向 移动，直到观测到一个会聚的亮点，如图 2-5b 所示，记下此时平移台上螺旋丝
第五节 光学系统像差实验
一、 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。 二、 实验目的 掌握各种几何像差产生的条件及其基本规律，观察各种像差现象。 三、 基本原理
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
三、 基本原理
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
四、 仪器用具 平行光管、色光滤色片、色差镜头、CMOS 相机、电脑、机械调整件等。
五、 实验步骤
1．参考示意图 2-4，搭建观测位置色差的实验装置。
1
2
34
5
6 图 2-4 位置色差检测装置示意图
5
1. 光纤光源 2. 平行光管 3. 色差镜头
4. 可调节棱镜支架 5. CMOS 数字相机 6. 一维平移台
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2
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5
1. 光纤光源 2. 平行光管 3. 轴外像差镜头
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图 3-4 轴外光线像差星点法观测示意图
4. 可调节棱镜支架 5. CMOS 数字相机 6. 旋转台
5．先按照图 3-2，调节各个光学元件与 CMOS 相机靶面同轴，沿光轴方向前后 移动 CMOS 相机，找到通过像差镜头后，星点像中心光最强的位置。 6．轻微调节像差镜头下方的旋转台，使像差镜头与光轴成一定夹角，观测 CMOS 相机中星点像的变化。轴外像差的效果图可参考图 3-5。
9
(a) 慧差效果示意图
(b) 场曲效果示意图
10
(c) 像散效果示意图 图 3-5 轴外像差效果图
图 1-1 轴上点球差
2．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。
1
图 1-2 慧差
3.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
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。 1.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（ L ）。如图 1-1 所示。
三、 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。Biblioteka 图 3-1 无像差星点衍射像
四、 仪器用具 平行光管、球差镜头、慧差镜头、像散镜头、场曲镜头、畸变镜头、CMOS 相 机等
五、 实验步骤 1．参考示意图 3-2，搭建观测轴上光线像差（球差）的实验装置。
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1. 光纤光源 2. 平行光管 3. 球差镜头
图 3-2 轴上光线像差（球差）星点法观测示意图
亮点，如图 2-5 所示，记下此时平移台上螺旋丝杆的读数 X3 。
a
b
c
d
e
f
图 2-5 色差实验效果图
4．数据处理：
位置色差 LFC LF LC
LFD LF LD
LD C LD LC
6
实验二 星点法观测光学系统单色像差
一、 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
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 LFC 表示，即系统对蓝光和红光的色差
LFC LF LC
（2-1）
对近轴去表示为
lFC lF lC
（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。
4. 可调节棱镜支架 5. CMOS 数字相机 6. 一维平移台
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2．调节各个光学元件与 CMOS 相机靶面同轴，沿光轴方向前后移动 CMOS 相 机，找到通过球差镜头后，星点像中心光最强的位置。 3．前后轻微移动 CMOS 相机，观测星点像的变化，可看到球差的现象。效果 图可参考图 3-3。
图 3-3 球差效果图 4．参考示意图 3-4，搭建观测轴外光线像差（慧差，像散，场曲）的实验装置。
位置，使像的形状产生失真，单不影响像的清晰度。
图 1-5 畸变
3
实验一 应用平行光管测量位置色差
一、 引言 平行光管是一种长焦距、大口径，并具有良好像值的仪器，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。
二、 实验目的 （1）了解平行光管的结构及工作原理 （2）掌握平行光管的使用方法 （3）了解色差的产生原理 （4）学会用平行光管测量球差镜头的色差
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
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
5.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
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）。
二、 实验目的 1. 了解星点检验法的测量原理 2. 用星点法观测各种像差
光学系统所成实际像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，像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。
的傅里叶变换的平方即爱里斑光强分布,即
I (r) Io
2 J1 (
)
2
kr
D f
r
F
r
式中， I (r) Io 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， J1( ) 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．调节平行光管、被测镜头和 CMOS 相机，使它们在同一光轴上。具体操作 步骤：先取下星点板，使人眼可以直接看到通过平行光管和被测镜头后的会聚 光斑。调节被测镜头和 CMOS 相机的高度及位置，使平行光管、被测镜头和 CMOS 相机靶面共轴，且会聚光斑打在 CMOS 相机靶面上。 3．装上 25 m 的星点板，微调 CMOS 相机位置，使得 CMOS 相机上光斑亮度 最强，如图 2-5a 所示。此时在平行光管上加上蓝光（F）滤色片，可以看见视 场变暗，此时调节 CMOS 相机下方的平移台，使 CMOS 相机向被测镜头方向 移动，直到观测到一个会聚的亮点，如图 2-5b 所示，记下此时平移台上螺旋丝
第五节 光学系统像差实验
一、 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。 二、 实验目的 掌握各种几何像差产生的条件及其基本规律，观察各种像差现象。 三、 基本原理
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
三、 基本原理
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
四、 仪器用具 平行光管、色光滤色片、色差镜头、CMOS 相机、电脑、机械调整件等。
五、 实验步骤
1．参考示意图 2-4，搭建观测位置色差的实验装置。
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6 图 2-4 位置色差检测装置示意图
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1. 光纤光源 2. 平行光管 3. 色差镜头
4. 可调节棱镜支架 5. CMOS 数字相机 6. 一维平移台
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1. 光纤光源 2. 平行光管 3. 轴外像差镜头
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图 3-4 轴外光线像差星点法观测示意图
4. 可调节棱镜支架 5. CMOS 数字相机 6. 旋转台
5．先按照图 3-2，调节各个光学元件与 CMOS 相机靶面同轴，沿光轴方向前后 移动 CMOS 相机，找到通过像差镜头后，星点像中心光最强的位置。 6．轻微调节像差镜头下方的旋转台，使像差镜头与光轴成一定夹角，观测 CMOS 相机中星点像的变化。轴外像差的效果图可参考图 3-5。
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(a) 慧差效果示意图
(b) 场曲效果示意图
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(c) 像散效果示意图 图 3-5 轴外像差效果图
图 1-1 轴上点球差
2．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。
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图 1-2 慧差
3.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
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。 1.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（ L ）。如图 1-1 所示。
三、 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。Biblioteka 图 3-1 无像差星点衍射像
四、 仪器用具 平行光管、球差镜头、慧差镜头、像散镜头、场曲镜头、畸变镜头、CMOS 相 机等
五、 实验步骤 1．参考示意图 3-2，搭建观测轴上光线像差（球差）的实验装置。
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1. 光纤光源 2. 平行光管 3. 球差镜头
图 3-2 轴上光线像差（球差）星点法观测示意图
亮点，如图 2-5 所示，记下此时平移台上螺旋丝杆的读数 X3 。
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e
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图 2-5 色差实验效果图
4．数据处理：
位置色差 LFC LF LC
LFD LF LD
LD C LD LC
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实验二 星点法观测光学系统单色像差
一、 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
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 LFC 表示，即系统对蓝光和红光的色差
LFC LF LC
（2-1）
对近轴去表示为
lFC lF lC
（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。
4. 可调节棱镜支架 5. CMOS 数字相机 6. 一维平移台
8
2．调节各个光学元件与 CMOS 相机靶面同轴，沿光轴方向前后移动 CMOS 相 机，找到通过球差镜头后，星点像中心光最强的位置。 3．前后轻微移动 CMOS 相机，观测星点像的变化，可看到球差的现象。效果 图可参考图 3-3。
图 3-3 球差效果图 4．参考示意图 3-4，搭建观测轴外光线像差（慧差，像散，场曲）的实验装置。
位置，使像的形状产生失真，单不影响像的清晰度。
图 1-5 畸变
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实验一 应用平行光管测量位置色差
一、 引言 平行光管是一种长焦距、大口径，并具有良好像值的仪器，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。
二、 实验目的 （1）了解平行光管的结构及工作原理 （2）掌握平行光管的使用方法 （3）了解色差的产生原理 （4）学会用平行光管测量球差镜头的色差
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