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像差是怎样形成的

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  像差是光学中的现象,对于形成的像差的原因,很多人都不太了解。下面由小编为你详细介绍像差的形成原因相关知识。

  形成像差的原因

  像差一般分两大类:色像差和单色像差。色像差简称色差,是由于透镜材料的折射率是波长的函数,由此而产生的像差。它可分位置色差和放大率色差两种。单色像差是指即使在高度单色光时也会产生的像差,按产生的效果,又分成使像模糊和使像变形两类。前一类有球面像差、慧形像差和像散。后一类有像场弯曲和畸变。

  实际工作中光学系统所成的像与*轴光学***Paraxial Optics,高斯光学***所获得的结果不同,有一定的偏离,光学成像相对*轴成像的偏离称像差。

  由于像差使成像与原物形状产生差异。复色光引起的色像差简称色差;非*轴单色光则引起单色像差。初级像差又分为五种,分别为:球面像差、彗形像差、像散、像场弯曲和畸变五种。

  摄影影头因制作不精密,或人为的损害,不能将一点所发出的所有光线聚焦于底片感光膜上的同一位置,使影像变形,或失焦模糊不清。

  实际的光学系统存在着各种像差。一个物点所成的像是综合各种像差的结果;此外实际光学系统完全可以不调焦在理想像*面处,这时像差***指在这个实像面上的像斑***当然也要变化。在天文上常用光线追迹的点列图来表示实际像差;也可用波像差来表示像差,由一个物点发出的光波是球面波,经过光学系统后,波面一般就不再是球面的。它与某一个基准点为中心的球面的偏离量,乘以该处介质的折射率值,称为波像差。

  人眼波前像差来源

  角膜和晶状体的表面不理想,其表面曲度存在局部偏差;

  角膜与晶状体、玻璃体不同轴;

  角膜和晶状体以及玻璃体的内含物质不均匀,使折射率有局部偏差。

  这些结构上的偏差使得经过偏差部位的光线偏离理想光路,以至物体上一点在视网膜的对应点上不是一个理想的像点,而是一个发散的光斑,其结果是整个视网膜像对比下降,视觉模糊。

  波前像差是怎么形成的,实践证明,基于几何光学原理对人眼光学系统特性的传统评价方法存在很大的局限性。*代物理学研究发现光有波粒两相性。根据光的波动学理论可以完整*兰酆兔枋鋈搜鄣某上衿睿庵殖上衿畋怀莆ㄇ跋癫睢

  人眼波前像差形成的的影响

  最新研究表明波前像差对人眼成像有着严重影响,特别是对*视眼其影响更甚。在40%的*视眼中,其*均波前像差的影响相当于150度*视。这便是为什么很多*视眼在配镜时总是难以达到如正常眼一样的视锐度。因为现行的镜片方法只矫正离焦,而不能同时矫正波前像差。

  另外有关*视形成的理论研究最*表明,人眼波前像差是导致*视眼形成的危险因子。因为波前像差使网膜像模糊,而动物试验已证实无论用何种方法使动物眼底像模糊均能导致*视眼。

  像差的种类

  为了方便说明像差的成因,我们仅以*行的入射光来探讨他们在几何光学上的差异。其实天文观测的目标都是遥远的星体,基本上也符合*行光的假设。

  球面像差***对称的像差***:当沿着光轴的*行入射光不能完全聚焦时,我们称为「球面像差」。

  透镜的球面像差

  反射镜的球面像差

  彗形像差***不对称的像差***:倾斜于光轴的*行入射光无法完全聚焦的情况,我们称为「彗形像差」。

  色像差:若是不同的颜色光线有不同的聚焦点,我们称为「色像差」。通常红色光的焦距比蓝光大一些。

  弯曲的像场:即使光学系统能完美地聚焦,但是却常发生它们的聚焦*面与我们希望的成像*面不一致。因此透镜会有bending的设计。

  Astigmatism:因为物体经由透镜成像时,常会发生X轴与Y轴的聚焦点不一致。

  变形:基本上变形的发生不能看似完全的像差。它并不是因为影像的聚焦不良所致,相反的它是清晰的成像,但是却发生与原来的物体的外型不一致。

  最完美的成像:抛物面镜

  数学上的定义: y2= 4 F.x F:镜面焦距长度

  镜面特色:*行光轴的入射光线可以完美聚焦于焦点。同时因为是反射面成像,所以没有任何色像差。若是采用抛物面来作为天文望远镜的主镜是一个非常好的选择。不但能兼顾光学系统的重量与成像品质。很可惜的,若是非*行的入射光沿着主轴进来,会有对称的「球面像差」。若是*行入射光倾斜于主轴,会有不对称的「彗形像差」产生。因此抛物面镜最适合于长焦距的天文望远镜,而不适合于地面景物的观测。

  不过抛物面的镜面不易制造,必须藉由许多球面镜的研磨方式逐渐*孜锩娴那龋虼思鄹褡匀灰步衔甙骸R砸桓隹诰8?、 F/4镜面而言,中间的镜面与球面镜差距其实是非常微小的,只有数个波长之差。虽然这只是微小的差别,却可以改善影像的品质甚多。

  为了获得高精度的抛物面,必须透过多次球面研磨。

  由于抛物面镜是经过多次球面镜的研磨而成,因此抛物面镜可以看成是多个球面镜所构成。利用这个光学特性,可以成为检测抛物面镜的一个简易的方法,我们称为「刀口测试」。

  结语:反射镜的制作成本比折射镜低廉非常多,因此大口镜的望远镜几乎都采用抛物面镜。若是用途仅止于天文摄影,采购该型望远镜算是不错的选择。尤其在星团与星云的拍摄,超大口径的抛物面镜几乎是唯一的选择。

  没有彗形像差:球面镜

  数学上的定义: y2= 4 F2- x2 F:镜面焦距长度***R=2F***

  球面镜特色:球面镜的几何对称,因此沿着光轴或倾斜光轴的*行入射光都具有相同的「球面像差」。不过没有「彗形像差」则是它的优点。由于球面镜的制作成本低廉,因此大都制造成极大的口径来获得它的优势。不过同样属于反射镜的抛物面镜,因为镜面中间的完美成像品质,已经逐渐取代球面镜。

  具有弹性的呈像矫正:折射镜

  因为折射镜是由多个透镜组成,透镜的每一面都是球面镜。目前因为镜片的研磨技术进步,少数的镜片也能制造成非球面镜。为了能够消除「像差」与「色像差」,因此镜片的材质非常重要。一般由两片镜片构成的镜片组,我们称为「Achromatic」。

  透镜的研磨成本高昂,加上镜片组的重量,因此非常不适合用于大口径的天文望远镜。不过由于折射镜可以透过不同材质与曲度的镜片搭配来消除色、像差,所以可以同时用于天文观测与地面景物观看等用途,算是一个全方位的望远镜。坊间许多称为「萤石镜」或是「ED镜」,是因为镜片组的第一片镜片采用高折射率、低色散的镜片制造,而第二片仍须使用高色散的镜片。一般的光学玻璃都是高折射率,同时也具有高色散的情形,所以「萤石镜」或是「ED镜」就显得珍贵了。由于天文望远镜的入射光几乎都是*行光***遥远的恒星***,同时视野狭窄***高倍率***,因此只要三片式透镜的主镜就已经十分足够了。当然若想用于地面观看,效果必须打一点折扣!

  结语:若是你想添购一只可以用于地面景物观看,同时又想进行天文观测。那折射式望远镜是你的首选。

  光学系统

  在简易的反射式天文望远镜***牛顿式望远镜***,由于安置斜镜之故,常会造成星光成 +字形。

  彗形像差会发生在影像的边缘,它的形状会呈现椭圆形。若是所有星点都呈现椭圆形,那表示望远镜追踪摄影的误差,而非像差。

  反射式望远镜的大口径优势,可以让暗星体完全呈现。这绝非一般的折射式望远镜所能达到。因此反射镜是星云摄影的必须工具。目前几乎所有的大型天文台都使用反射式望远镜来掠取最暗的星体,作为研究之用。

  折射式望远镜会有明显的色差发生。为了避免小小的色差,往往必须付出高额的代价。

  高价格且成像良好的折射式天文望远镜非常适合拍摄高倍率的星野摄影。




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