轴外物点成像图 轴外物点是什么_ 外轴上的所有点组成的集合

轴外物点成像图 轴外物点是什么? 外轴上的所有点组成的集合

轴外物点是指位于光学体系光轴以外的物点，其成像特性与轴上物点存在显著差异，主要表现为光束对称性破坏和多种像差产生。下面内容是关于轴外物点的详细解析：

一、基本定义与光束特性

• 光轴与物点位置
  光学体系的光轴是连接各光学元件曲率中心的理想直线。当物点偏离光轴时，称为轴外物点，其发出的光束不再以光轴为中心对称。

  • 光束对称性：轴上物点发出的光束具有旋转对称性，而轴外物点的光束在子午面（含光轴和主光线的平面）和弧矢面（垂直于子午面的平面）呈现不对称结构。

• 主光线与光束传播
  轴外物点的光束以主光线（通过光阑中心的中心光线）为对称轴。由于主光线与光轴不共线，入射和出射光束失去对称轴线，仅保留对称截面。例如，在离轴抛物面镜中，子午曲率与弧矢曲率不同，导致聚焦特性复杂。

二、轴外物点的像差类型

轴外物点成像时，因光束不对称和体系非理想性，会产生下面内容主要像差：

• 彗差（Coma）

  • 由宽光束不对称引起，表现为光斑呈彗星状拖尾。子午面和弧矢面的光线交汇点偏离主光线，形成垂轴路线的高度差。
  • 例如，当光学体系的入瞳偏离球面曲率中心时，彗差会显著增大。

• 像散（Astigmatism）

  • 细光束在子午面和弧矢面折射后，形成两个分离的焦点（子午像点 \( B’_t \) 和弧矢像点 \( B’s \)），其轴向距离 \( x’ts} \) 即为像散值。
  • 在ZEMAX中，像散表现为非旋转对称的弥散斑，子午和弧矢焦点处的光斑呈直线形。

• 场曲（Field Curvature）

  • 轴外物点的理想像面不再是平面，而是弯曲的球面，导致边缘视场成像模糊。

• 渐晕（Vignetting）

  • 轴外光束可能被透镜边缘遮挡，光能损失导致像面边缘照度下降。

三、轴外物点的应用与调节

• 离轴光学体系设计

  • 离轴抛物面镜、轮胎镜等非对称元件常用于高功率激光体系，以消除旋转对称带来的像差，但调节难度较大。
  • 调节时需通过俯仰、扭摆等自在度调整主光线角度，使子午和弧矢焦距在最佳职业角下重合。

• 像差校正技巧

  • 结构优化：采用正负透镜组合、非球面设计或弯月透镜补偿像散和彗差。
  • 光阑控制：调整光阑位置以减小轴外光束的不对称性，例如将光阑置于球面曲率中心可消除彗差。

四、实验与仿真分析

• ZEMAX仿真

  • 在ZEMAX中，轴外物点的像差可通过光扇图（Ray Fan）、点列图（Spot Diagram）和赛德尔系数分析（Seidel Coefficients）量化。
  • 例如，子午面焦距 \( f_t \) 和弧矢面焦距 \( f_s \) 随入射角变化呈现相反动向，需在最佳职业角下平衡二者。

• 实验调节示例

  • 使用抛物面镜聚焦时，通过CCD观察焦前焦后的光斑形变（椭圆收缩或扩张），判断入射角调整路线。

轴外物点的成像复杂性源于光束对称性破坏和多类像差叠加。实际应用中需通过光学设计优化和精密调节实现高质量成像，尤其在非对称光学体系中更为关键。