像差是怎樣形成的
像差是光學(xué)中的現(xiàn)象，對(duì)于形成的像差的原因，很多人都不太了解。下面由學(xué)習(xí)啦小編為你詳細(xì)介紹像差的形成原因相關(guān)知識(shí)。
形成像差的原因
像差一般分兩大類(lèi)：色像差和單色像差。色像差簡(jiǎn)稱(chēng)色差，是由于透鏡材料的折射率是波長(zhǎng)的函數(shù)，由此而產(chǎn)生的像差。它可分位置色差和放大率色差兩種。單色像差是指即使在高度單色光時(shí)也會(huì)產(chǎn)生的像差，按產(chǎn)生的效果，又分成使像模糊和使像變形兩類(lèi)。前一類(lèi)有球面像差、慧形像差和像散。后一類(lèi)有像場(chǎng)彎曲和畸變。
實(shí)際工作中光學(xué)系統(tǒng)所成的像與近軸光學(xué)(Paraxial Optics，高斯光學(xué))所獲得的結(jié)果不同，有一定的偏離，光學(xué)成像相對(duì)近軸成像的偏離稱(chēng)像差。
由于像差使成像與原物形狀產(chǎn)生差異。復(fù)色光引起的色像差簡(jiǎn)稱(chēng)色差;非近軸單色光則引起單色像差。初級(jí)像差又分為五種，分別為：球面像差、彗形像差、像散、像場(chǎng)彎曲和畸變五種。
攝影影頭因制作不精密，或人為的損害，不能將一點(diǎn)所發(fā)出的所有光線聚焦于底片感光膜上的同一位置，使影像變形，或失焦模糊不清。
實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)存在著各種像差。一個(gè)物點(diǎn)所成的像是綜合各種像差的結(jié)果;此外實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)完全可以不調(diào)焦在理想像平面處，這時(shí)像差(指在這個(gè)實(shí)像面上的像斑)當(dāng)然也要變化。在天文上常用光線追跡的點(diǎn)列圖來(lái)表示實(shí)際像差;也可用波像差來(lái)表示像差，由一個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的光波是球面波，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，波面一般就不再是球面的。它與某一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)為中心的球面的偏離量，乘以該處介質(zhì)的折射率值，稱(chēng)為波像差。
人眼波前像差來(lái)源
角膜和晶狀體的表面不理想，其表面曲度存在局部偏差;
角膜與晶狀體、玻璃體不同軸;
角膜和晶狀體以及玻璃體的內(nèi)含物質(zhì)不均勻，使折射率有局部偏差。
這些結(jié)構(gòu)上的偏差使得經(jīng)過(guò)偏差部位的光線偏離理想光路，以至物體上一點(diǎn)在視網(wǎng)膜的對(duì)應(yīng)點(diǎn)上不是一個(gè)理想的像點(diǎn)，而是一個(gè)發(fā)散的光斑，其結(jié)果是整個(gè)視網(wǎng)膜像對(duì)比下降，視覺(jué)模糊。
波前像差是怎么形成的，實(shí)踐證明，基于幾何光學(xué)原理對(duì)人眼光學(xué)系統(tǒng)特性的傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法存在很大的局限性。近代物理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)光有波粒兩相性。根據(jù)光的波動(dòng)學(xué)理論可以完整地評(píng)價(jià)和描述人眼的成像偏差，這種成像偏差被稱(chēng)為波前像差。
人眼波前像差形成的的影響
最新研究表明波前像差對(duì)人眼成像有著嚴(yán)重影響，特別是對(duì)近視眼其影響更甚。在40%的近視眼中，其平均波前像差的影響相當(dāng)于150度近視。這便是為什么很多近視眼在配鏡時(shí)總是難以達(dá)到如正常眼一樣的視銳度。因?yàn)楝F(xiàn)行的鏡片方法只矯正離焦，而不能同時(shí)矯正波前像差。
另外有關(guān)近視形成的理論研究最近表明，人眼波前像差是導(dǎo)致近視眼形成的危險(xiǎn)因子。因?yàn)椴ㄇ跋癫钍咕W(wǎng)膜像模糊，而動(dòng)物試驗(yàn)已證實(shí)無(wú)論用何種方法使動(dòng)物眼底像模糊均能導(dǎo)致近視眼。
像差的種類(lèi)
為了方便說(shuō)明像差的成因，我們僅以平行的入射光來(lái)探討他們?cè)趲缀喂鈱W(xué)上的差異。其實(shí)天文觀測(cè)的目標(biāo)都是遙遠(yuǎn)的星體，基本上也符合平行光的假設(shè)。
球面像差(對(duì)稱(chēng)的像差)：當(dāng)沿著光軸的平行入射光不能完全聚焦時(shí)，我們稱(chēng)為「球面像差」。
透鏡的球面像差
反射鏡的球面像差
彗形像差(不對(duì)稱(chēng)的像差)：傾斜于光軸的平行入射光無(wú)法完全聚焦的情況，我們稱(chēng)為「彗形像差」。
色像差：若是不同的顏色光線有不同的聚焦點(diǎn)，我們稱(chēng)為「色像差」。通常紅色光的焦距比藍(lán)光大一些。
彎曲的像場(chǎng)：即使光學(xué)系統(tǒng)能完美地聚焦，但是卻常發(fā)生它們的聚焦平面與我們希望的成像平面不一致。因此透鏡會(huì)有bending的設(shè)計(jì)。
Astigmatism：因?yàn)槲矬w經(jīng)由透鏡成像時(shí)，常會(huì)發(fā)生X軸與Y軸的聚焦點(diǎn)不一致。
變形：基本上變形的發(fā)生不能看似完全的像差。它并不是因?yàn)橛跋竦木劢共涣妓?，相反的它是清晰的成像，但是卻發(fā)生與原來(lái)的物體的外型不一致。
最完美的成像：拋物面鏡
數(shù)學(xué)上的定義： y2= 4 F.x F：鏡面焦距長(zhǎng)度
鏡面特色：平行光軸的入射光線可以完美聚焦于焦點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)槭欠瓷涿娉上?，所以沒(méi)有任何色像差。若是采用拋物面來(lái)作為天文望遠(yuǎn)鏡的主鏡是一個(gè)非常好的選擇。不但能兼顧光學(xué)系統(tǒng)的重量與成像品質(zhì)。很可惜的，若是非平行的入射光沿著主軸進(jìn)來(lái)，會(huì)有對(duì)稱(chēng)的「球面像差」。若是平行入射光傾斜于主軸，會(huì)有不對(duì)稱(chēng)的「彗形像差」產(chǎn)生。因此拋物面鏡最適合于長(zhǎng)焦距的天文望遠(yuǎn)鏡，而不適合于地面景物的觀測(cè)。
不過(guò)拋物面的鏡面不易制造，必須藉由許多球面鏡的研磨方式逐漸逼近拋物面的曲度，因此價(jià)格自然也較為高昂。以一個(gè)口徑8吋、 F/4鏡面而言，中間的鏡面與球面鏡差距其實(shí)是非常微小的，只有數(shù)個(gè)波長(zhǎng)之差。雖然這只是微小的差別，卻可以改善影像的品質(zhì)甚多。
為了獲得高精度的拋物面，必須透過(guò)多次球面研磨。
由于拋物面鏡是經(jīng)過(guò)多次球面鏡的研磨而成，因此拋物面鏡可以看成是多個(gè)球面鏡所構(gòu)成。利用這個(gè)光學(xué)特性，可以成為檢測(cè)拋物面鏡的一個(gè)簡(jiǎn)易的方法，我們稱(chēng)為「刀口測(cè)試」。
結(jié)語(yǔ)：反射鏡的制作成本比折射鏡低廉非常多，因此大口鏡的望遠(yuǎn)鏡幾乎都采用拋物面鏡。若是用途僅止于天文攝影，采購(gòu)該型望遠(yuǎn)鏡算是不錯(cuò)的選擇。尤其在星團(tuán)與星云的拍攝，超大口徑的拋物面鏡幾乎是唯一的選擇。
沒(méi)有彗形像差：球面鏡
數(shù)學(xué)上的定義： y2= 4 F2- x2 F：鏡面焦距長(zhǎng)度(R=2F)
球面鏡特色：球面鏡的幾何對(duì)稱(chēng)，因此沿著光軸或傾斜光軸的平行入射光都具有相同的「球面像差」。不過(guò)沒(méi)有「彗形像差」則是它的優(yōu)點(diǎn)。由于球面鏡的制作成本低廉，因此大都制造成極大的口徑來(lái)獲得它的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)同樣屬于反射鏡的拋物面鏡，因?yàn)殓R面中間的完美成像品質(zhì)，已經(jīng)逐漸取代球面鏡。
具有彈性的呈像矯正：折射鏡
因?yàn)檎凵溏R是由多個(gè)透鏡組成，透鏡的每一面都是球面鏡。目前因?yàn)殓R片的研磨技術(shù)進(jìn)步，少數(shù)的鏡片也能制造成非球面鏡。為了能夠消除「像差」與「色像差」，因此鏡片的材質(zhì)非常重要。一般由兩片鏡片構(gòu)成的鏡片組，我們稱(chēng)為「Achromatic」。
透鏡的研磨成本高昂，加上鏡片組的重量，因此非常不適合用于大口徑的天文望遠(yuǎn)鏡。不過(guò)由于折射鏡可以透過(guò)不同材質(zhì)與曲度的鏡片搭配來(lái)消除色、像差，所以可以同時(shí)用于天文觀測(cè)與地面景物觀看等用途，算是一個(gè)全方位的望遠(yuǎn)鏡。坊間許多稱(chēng)為「螢石鏡」或是「ED鏡」，是因?yàn)殓R片組的第一片鏡片采用高折射率、低色散的鏡片制造，而第二片仍須使用高色散的鏡片。一般的光學(xué)玻璃都是高折射率，同時(shí)也具有高色散的情形，所以「螢石鏡」或是「ED鏡」就顯得珍貴了。由于天文望遠(yuǎn)鏡的入射光幾乎都是平行光(遙遠(yuǎn)的恒星)，同時(shí)視野狹窄(高倍率)，因此只要三片式透鏡的主鏡就已經(jīng)十分足夠了。當(dāng)然若想用于地面觀看，效果必須打一點(diǎn)折扣!
結(jié)語(yǔ)：若是你想添購(gòu)一只可以用于地面景物觀看，同時(shí)又想進(jìn)行天文觀測(cè)。那折射式望遠(yuǎn)鏡是你的首選。
光學(xué)系統(tǒng)
在簡(jiǎn)易的反射式天文望遠(yuǎn)鏡(牛頓式望遠(yuǎn)鏡)，由于安置斜鏡之故，常會(huì)造成星光成 +字形。
彗形像差會(huì)發(fā)生在影像的邊緣，它的形狀會(huì)呈現(xiàn)橢圓形。若是所有星點(diǎn)都呈現(xiàn)橢圓形，那表示望遠(yuǎn)鏡追蹤攝影的誤差，而非像差。
反射式望遠(yuǎn)鏡的大口徑優(yōu)勢(shì)，可以讓暗星體完全呈現(xiàn)。這絕非一般的折射式望遠(yuǎn)鏡所能達(dá)到。因此反射鏡是星云攝影的必須工具。目前幾乎所有的大型天文臺(tái)都使用反射式望遠(yuǎn)鏡來(lái)掠取最暗的星體，作為研究之用。
折射式望遠(yuǎn)鏡會(huì)有明顯的色差發(fā)生。為了避免小小的色差，往往必須付出高額的代價(jià)。
高價(jià)格且成像良好的折射式天文望遠(yuǎn)鏡非常適合拍攝高倍率的星野攝影。
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