大家普遍会认为参考点的移动是不会影响光学系统的,但其实不然,在波像差中,参考点的移动会给系统带来波像差。
波像差系列(六)-色差的波像差显示
单色球面波经光学系统后,将由于像差而发生变形。如果物方球面波是复色的,那么,各色波面经系统后,将因各自像差的不同而有不同程度的变形。二种色光,如F光和C光的波面间的偏离量,可用来表征色差,称之为波色差。这种用波像差概念来讨论色差的方法,由 A.E. Conrady 在其著作《应用光学和光学设计》一书中首先提出,即(D-d)方法。
在(D-d)方法中,d表示光学系统中各光学零件沿光轴的厚度,D表示光线在相应零件中的光路长度。所以,就是轴上点发出的某一光线与沿轴光线之间的光程差或波像差。按此,同一孔径的F光和C光各自的光程差应是和,二者之差即为波色差,以表示,有
式中第一项表示同一孔径的二色光线间的光程差。由于二色光的折射率差比折射率小得多,由此折射率差引起的二色光线的光路差别为一小量,而二光线的光程差更为二级小量。若略去这二级小量,则可用二色光的中间色光的光路长D来代替和,由
此得
这就是轴上点波色差的表示式。它表示二色波面于中心相切时,在所计算孔径处的偏离量。如果边缘光线的 ,就表示二色波面在边缘处相交,或在边缘带上二色光的波像差相等。消色差系统就要求这样。
应用上述公式计算波色差时,主要在于计算主色光在系统各光学零件中的光路长在计算机程序中,光路计算统一应用空间光线公式,D值已作为一个中间量算出,可直接取用。
用 D-d法计算波色差有不少好处。1.它不像计算几何色差那样,由二个大数和相减而得,而是直接由公式计算得到,因此计算精度较高。2.在现有光学玻璃中,折射率相同而色散不等的玻璃很多,这样,当不希望改变单色像差时,用此方法可方便的调换等折射率不等色散玻璃来校正色差,而对单色像差并无影响。这对复杂系统,特别是照相物镜等大像差系统的设计,具有重要的实用意义。3.如果不用挑选玻璃,而用改变曲率半径的方法校正色差也甚为方便。一般改变最后一面的半径。对一个由N个透镜组成的系统,若要求波色差为。在求得 N-1块透镜的(D-d)dn之后,根据上面的公式,即可算出最后一块透镜色差,进而求出光线在最后一透镜中的光路长度随之,光线在最后一面上的矢高和高度即可求出,有
然后可按之前的公式求出最后一面的半径。因此,只需根据中间色光的边缘光线对k-1个折射面所作的光路计算结果,就可直接求得消色差的最后一面的半径。在光学系统尚有微量的色差需要校正时,这是常用的方法。
D-d法也能方便地用来表征二级光谱。如系统已对F光和C光校正色差,即,此时,对 D线的二级光谱可表示为
可见,在消色差的同时,只有当各块透镜具有相同的相对色散才能使。但前已知道,普通光学玻璃在阿贝常数值相差较大时,其相对色散是不相等的,因此总存在二级光谱。光学系统中,特别是长焦距大相对孔径的光学系统,当成像要求很高时,二级光谱是其主要的限制因素。
相关文献:
《几何光学 像差 光学设计》(第三版)——李晓彤 岑兆丰
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