• 像差

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    像差

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    光學中,像差或像差被理解為通過光學系統(例如照片或望遠鏡鏡頭或目鏡)與理想光學圖像的偏差,這會導致圖像模糊或扭曲。

    像差可以在幾何光學的框架內捕捉到。 它檢查了從某個物點發出的一束光線在穿過系統后的行為。 在理想情況下,光線再次相交于一點。 由于像差,反而只有或多或少狹窄的光束收縮,它也可能位于錯誤位置(在畸變或場曲的情況下)。

    單透鏡或鏡子的簡單系統的像差通常高得無法接受,這樣的系統只對照明有用。 但是,通過組合由不同類型的玻璃或反射鏡制成的多個透鏡,有時還使用非球面,可以消除任意小余數以外的像差。 系統的自由度(特別是表面距離和曲率)由優化計算確定,使得整體像差最小。 這稱為誤差校正或光學系統。

    此校正過程的計算量非常大。 這里描述的所有像差都是疊加的,光學系統的任何變化都會以一般非線性的方式影響所有像差。 唯 一的例外是僅通過鏡子顯示的系統不會出現色差。

    借助圖像處理,您可以減少顏色放大誤差(色差),隨后使用類似于校正的方法補償桶形或枕形失真。 對于數碼相機,這些過程在固件中實現。

    單色像差

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    球差

    球面像差,又稱孔徑誤差或球面度誤差,是一種銳度誤差,會導致平行于光軸入射或從光軸上同一物點發出的光線,通過后焦距不一致。系統。 因此它們不會收斂于一點。

    一般來說,光束越遠,偏差越大。 出于對稱性的原因,折射光線的后焦點 s {\\displaystyle s} 由偶函數給出:

    s = s 0 + ∑ k = 1 ∞ w 2 k a 2 k

    這里 a? 是光線進入系統的軸向距離,w k? 表示第 k 階球面像差的強度。 s 0 是折射光線的近軸后焦距。

    具有球面像差的鏡頭可提供具有銳利但對比度低的細節的柔和圖像,只有近軸光線對其有貢獻。 離軸光線在明暗過渡處產生光暈。

    最 大清晰度水平前后的主體模糊程度不同。 有些鏡頭的球面像差可以在很寬的范圍內進行無級調整,以調整焦點前后的模糊和焦點的清晰度。

    對于僅包含球面(球面)折射或反射表面的系統,無法獲得完全沒有球面像差的實像(參見無球差圖像)。 在鏡頭或反射鏡上使用非球面,可以完全校正球面像差。 因此,用拋物面鏡對遠點的成像沒有球面像差,并且對于近軸光線是準確的。 然而,磨削球面比磨削非球面曲面更容易,因此也更便宜。 球面的廣泛使用是基于這樣一個事實,即它們的生產成本要低得多,而通過組合多個透鏡可以有效地減少它們的像差。 非球面研磨鏡頭的成本在具有許多鏡頭的系統中被考慮在內,因為您可能需要使用很少的鏡頭ger鏡片可以達到同樣的成像質量。

    同時,有生產高質量非球面作為沖壓件(成型)的工藝,這要便宜得多。 較小的鏡片可直接壓制成型,較大的則通過成型等體積的球面鏡片來生產。 尺寸受到兩個問題的限制:一方面,只有少數幾種玻璃適合成型,另一方面,由于成型過程中產生的內應力,成型鏡片往往具有不均勻性。

    小型塑料鏡片可以使用注塑成型或注射壓縮成型工藝廉價制造,但不適用于對圖像質量要求較高的系統,例如攝影鏡頭。 也可以在球面玻璃鏡片上澆鑄一層塑料,然后將其壓成非球面形狀。 該技術也可用于攝影鏡頭。

    借助傅科的尖端法,球面像差也可以用簡單的方法輕松檢測出來。 在光學零件的大規模生產中,干涉測量法如今很常見。

    如果球面像差限制了分辨能力,可以通過縮小到臨界孔徑來提高分辨能力。

    散光

    散光是“傾斜”光線的像差。 傾斜入射的光線束在子午面和??矢狀面中發生不同程度的折射。 在子午面 (M) 的方向上,鏡頭的透視縮短,導致焦距變短。

    因此,在點中不顯示任何點,而是在相應的其他平面中顯示焦線。 在兩個焦平面的前面和后面形成橢圓而不是圓形,因為平面中的每束光線變成橢圓并且在每個點具有不同的張角。 如果將屏幕放在矢狀焦平面后面,則可以看到在子午方向(紅色)具有長半軸的橢圓形。 同樣,子午焦平面前面的橢圓在矢狀方向(綠色)有更長的半軸。 在兩者之間有一個點,其中一個點被成像為一個模糊的圓圈,最小的混亂圈或最小混亂圈。

    散光的特征是散光差,即焦線之間的距離。 該距離隨著入射光束與光軸的更大傾斜度、透鏡厚度、透鏡功率和透鏡幾何形狀的增加而增加。 所以例如 雙凸或雙凹鏡片與彎月鏡片相比有特別強烈的散光。 為了矯正眼睛散光,在眼鏡的幫助下產生有針對性的散光,并補償這種像差。

    像差

    可以設計一個光學系統來減少或消除散光的影響。 這種光學器件稱為消散像。 此名稱僅具有歷史意義,因為此錯誤僅在出現嚴重制造錯誤的情況下出現在現代鏡頭上。

    類似于散光的像差可以發生在業余天文學中使用的反射望遠鏡中,這些望遠鏡通常通過軸向移動主鏡來聚焦。 這可能會導致小的傾斜,因此當從焦外或焦內側聚焦時,星星的圖像不再是點狀的,而是在水平或垂直方向上看起來有些拉長。

    昏迷

    彗差發生在光束以與光軸成一定角度入射時疊加兩個像差:球面像差,它也對光軸有影響-平行束和斜束的散光。 圖像點不是銳利的衍射盤,而是用指向光學器件邊緣的“尾巴”創建的,這就是該現象的名稱。 這種現象可以通過停止邊緣光線來減少,但斜光束的散光仍然存在。

    彗差可發生在透鏡和反射鏡光學器件中。 球面像差和彗差都得到完全校正的光學系統稱為平面光學系統。

    場曲率

    如果光學系統具有場曲率,則圖像不是在平面上而是在曲面上生成的 - 因此這就是所謂的位置誤差。 沿光軸的交點位置取決于圖像高度,即物體越遠,因此圖像點離軸越遠,圖像點在軸向方向上移動得越多(通常向前,朝向鏡頭)。

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