RLE-ME01-光学系统像差测量实验-实验讲义

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。

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。

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。

实验九光学系统像差理论综合实验（一）光学系统像差的计算机模拟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。

一、实验目的1.掌握各种几何象差产生的条件及其基本规律；2.观察各种象差现象的计算机模拟效果图。

二、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。

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δ'）。

如图1-1所示。

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 '，sx '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。

§5-3象差测量 概述光学系统成象质量的好坏，是最后评定此光学系统优劣的主要标准。

影响象质的因素有：① 设计水平：校正象差的完善程度② 加工水平：加工误差、装配误差、材料误差 ③ 杂光几何象差与光学设计密切联系 误差测量与物光联系密切§5-3-1 二次截面法（哈特曼法）测几何象差1900—1904年由德国哈特曼提出，利用几何光学概念，找出这些光线经光学系统后的空间位置。

一、 原理用区域光阑将不同孔径的光分开 1、 轴向象差 ① 球差区域光阑（哈特曼光阑）小孔直径')4001~1001(f =Φ②位置色差 2、 垂轴象差 ① 象散轴外球差曲线d b b b S sn sn sn sn 211+=d b b b S tn tn tsn tn 211+=② 场曲d b b b S s d s b b n n n n n n n n 21121+=→-=③ 慧差子午慧差C 1G 1=PA=RG 2=a 1 PB=PA+AB=a 1+ABdS R C PBt=2ds a a AB a d S R C AB a tt =++==+21121AB=-Kt=121a s d a a t -+ 121211)(a S d a a AB S a a ABd d a t t-+=+=+t t S da a a K 211'+-= 弧矢慧差一般不测量（只在大视场时测量）t s K K 31'=哈特曼法无法测畸变，因光轴无法确定，因而也不能测倍率色差。

二、 测量装置及注意事项 1、 装置：阿斯卡 光具座 2、 调整及注意事项① 平行光管小孔校正在物镜焦平面上，转臂在轴向位置② 根据物镜相对孔径选择区域光阑小孔直径，一般Φ=（1/100~1/400）f'小一些好，但太小衍射严重，光斑反而大。

③ 使被测物镜光轴和平行光管光轴重合（光束法线转动物镜法）④ 确定E 1位置，一般'51,'71f S d f n n =-=σ ⑤ 确定曝光时间⑥ 测轴外象差时，使斜光束对称中心线和米字孔光阑中心孔重合，为此要纵向移动物镜，保证每一视场哈特曼光阑中心孔通过的光束通过被测物镜入瞳，同时相应移动E 1和E 2（两者精确相等）。

实验光学像差的观察光学系统所成的实际像与理想像（即在近轴区以单色光所成的像）的差异称为像差。

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，球面加工得非常完美，像差仍会存在。

几何像差一般分两大类：色像差和单色像差。

透镜材料的折射率是波长的函数，由不同波长的色光（即复色光）产生的像差称为色像差，简称色差，可分为位置色差和倍率色差两种。

非近轴的高度单色光也会产生像差，称为单色像差；按其产生的效果，分成使像模糊和使像变形两类，前者有球差、慧差和像散，后者有场曲和畸变。

本实验主要观察其中几种像差：色差、球差和慧差，并在球差部分同时介绍景深的概念。

【实验目的】1.观察色差、球差、慧差等像差的形成，了解球差和景深的相互关系。

2.掌握各种几何像差产生的条件及成像规律。

3.掌握光学系统等高共轴的调节方法，并用左右逼近法记录数据。

【实验仪器】F-JH1050型几何光学实验仪。

【仪器介绍】F-JH1050型几何光学实验仪，包含光学导轨、白光源、“品”字屏、凸透镜（3个）、白屏、球差屏（2个）、滤色片（3个）、滤色镜框、可变光阑、光具座若干。

【实验原理】1.色差光学材料对不同波长的色光有不同的折射率，因此同一孔径不同色光的光线经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。

因此在任何像面位置，物点的像都是一个彩色的弥散斑。

各种色光之间成像位置和成像大小的差异称为色差，如图1所示。

图1 色差色差是透镜成像的一个严重缺陷，简单来说就是颜色的差别，发生在以多色光为光源的情况下。

不同波长的光将以不同的程度色散，白光被色散为紫外波段、可见波段和红外波段范围的各种波长的光，其中可见光的波长范围大约为400nm~700nm，不同波长的光，颜色各不相同，其通过透镜时的折射率也各不相同，因而所成的像便带有彩色边缘，这样物方一个点，在像方可形成一个色斑。

适用标准文案光学系统像差丈量实验RLE-ME01实验讲义版本： 2012公布日期：2012年8月序言实质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，也是教课的难点章节，针对此知识点的教课实验产品贫乏。

RealLight?开发的像差丈量实验采用特意设计的像差镜头，像差现象清楚；波及知识点紧贴像差理论的要点内容，是学生掌握像差理论的特别理想的教课实验系统。

目录1．光学系统像差的计算机模拟1.1.前言 ---------------------------------------------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. 思虑题 -------------------------------------------52.平行光管的调理使用及地点色差的丈量2.1.前言 ---------------------------------------------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. 实验数据办理 -------------------------------------92.7. 思虑题 -------------------------------------------93.星点法观察光学系统单色像差3.1.前言 ---------------------------------------------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. 思虑题 ------------------------------------------144.暗影法丈量光学系统像差与刀口仪原理4.1. 前言 --------------------------------------------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. 思虑题 ------------------------------------------175.剪切干预丈量光学系统像差5.1. 前言 --------------------------------------------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. 思虑题 ------------------------------------------266.参照文件实验 1光学系统像差的计算机模拟前言假如成像系统是理想光学系统，则同一物点发出的所有光芒经过系统此后,应当聚焦在理想像面上的同一点，且高度同理想像高一致。

实验光学像差的观察引言：光学像差是指光线通过透镜或者其它光学系统时，在成像过程中产生的偏差或畸变。

在实际的光学系统中，光学像差是难以避免的，但我们可以通过合适的方法来减小或者消除像差，以提高成像质量。

本次实验旨在观察不同类型的光学像差，同时探讨产生像差的原因和解决方案。

实验材料与装置：-凸透镜-狭缝-光源-平面镜-刻度尺-实验台等实验步骤：1.准备工作将凸透镜安装到实验台上，并调整准直系数，使得光线通过透镜时相交于一点。

安装狭缝装置，用于调节光的强度和角度。

将狭缝移至较大距离处，让光线通过狭缝发出。

移动凸透镜，观察在不同位置成像的焦点情况。

注意观察当凸透镜不处于焦点位置时，成像处出现的模糊现象。

将凸透镜移至一侧，使得光线通过透镜的边缘部分，而非中心部分。

调整狭缝位置并观察光线通过透镜后的成像，与在中心处成像时的情况进行比较。

将凸透镜放置在中心位置，调整狭缝位置使得光线通过透镜中心部分。

放置平面镜在凸透镜前方，使得光线经过反射后重新通过透镜。

观察入射光和反射光通过透镜后的成像情况。

5.色差的观察将凸透镜放置在中心位置，使用白色光源。

观察不同颜色的光经过透镜后的折射角度和成像情况。

结果与讨论：1.对焦像差的观察结果可能显示出图像集中于一点时，焦点清晰，而当凸透镜不处于焦点位置时，图像会变得模糊，无法清晰辨认。

2.普通像差的观察结果可能显示出边缘位置的成像会比中心位置产生更大的模糊和偏移。

3.球面像差的观察结果可能显示出反射光和入射光在透镜两侧成像位置不同，产生偏差，导致图像失真。

4.色差的观察结果可能显示出不同颜色的光线在透镜中折射角度不同，导致成像位置和清晰度有所变化。

通过本次实验，我们可以清楚地观察到不同类型的光学像差，并且了解了像差的产生原因。

在实际应用中，可以通过使用复杂的光学系统设计和校正来减小或消除光学像差，提高成像质量。

例如，通过使用非球面透镜和多片镜片组合，可以有效减小球面像差和色差。