關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和相關(guān)問題

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1、關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)的分辨率及相關(guān)問題趙玉春前言：最近，在很多天文網(wǎng)絡(luò)論壇相關(guān)版面上的天體攝影作品是“精華”如潮，但我覺得其中的絕大部分作品并沒有達(dá)到“精華”的程度。這就是一個(gè)評(píng)價(jià)作品的基本標(biāo)準(zhǔn)的問題，我覺得這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是一個(gè)很專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。在評(píng)價(jià)用跟蹤法拍攝的天文攝影作品中，有一條鐵的標(biāo)準(zhǔn)就是真實(shí)。比如評(píng)價(jià)一幅拍攝星云的作品，雖然用不同的拍攝方法或后期處理方法能得到最終不同的效果，但拍攝的真實(shí)性是評(píng)價(jià)的基本依據(jù)。所謂拍攝的真實(shí)性主要是指在拍攝過程中沒有使被拍攝的星云等內(nèi)容的像有“意外”的變形。由于星云等本身并沒有明確的邊界，那么檢驗(yàn)星云等的像是否真實(shí)的基本依據(jù)就是檢驗(yàn)天空背景

2、上恒星的像是否真實(shí)。所謂恒星的像的真實(shí)是指恒星的像既圓又小而且邊緣銳利，沒有任何變形等。這主要與拍攝時(shí)的調(diào)焦精度、跟蹤精度和光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量有關(guān)，對(duì)于后者，可以歸納為與光學(xué)系統(tǒng)的分辨率相關(guān)的問題（由電腦合成處理以后的照片的真實(shí)性問題不在此討論范圍之內(nèi)）。下面我就從理論與實(shí)例兩個(gè)方面講講有關(guān)光學(xué)系統(tǒng)的分辨率以及與天文攝影和目視觀測(cè)相關(guān)的一些問題。*關(guān)于理想光學(xué)系統(tǒng)的分辨率：在幾何光學(xué)理論中，我們可以把光看作是“能夠傳遞能量的具有方向性的幾何線”。對(duì)于一個(gè)“理想光學(xué)系統(tǒng)”，應(yīng)該能使一個(gè)物點(diǎn)所發(fā)出的所有能通過該光學(xué)系統(tǒng)的光線重新聚焦于一點(diǎn)，在“理想成像”時(shí)，像點(diǎn)是一個(gè)“理想幾

3、何點(diǎn)”，這個(gè)“理想幾何點(diǎn)”即沒有面積也沒有體積。如果成像不“理想”，則形成有一定大小的“體積”，在焦平面上則形成有一定面積的彌散斑，如果彌散斑較大，則主要是由于各種像差造成的。球差屬于單色像差，它會(huì)使從主光軸上物點(diǎn)發(fā)出的各條光線通過光學(xué)系統(tǒng)后不交于一點(diǎn)，使點(diǎn)像的邊緣模糊。球差的大小一般與透鏡的折射率、形狀（兩表面的曲率半徑）以及通光孔徑有關(guān)。彗差屬單色像差，它會(huì)使離主光軸較近的軸外物點(diǎn)發(fā)出的寬光束通過光學(xué)系統(tǒng)后，在像面上不再形成同心光束，而是形成圓心在一條直線上的，按直徑大小依次排列的圓形光束的重疊，形成狀如彗星（圓頭尖尾）的像（尖端離主光軸近的稱正彗差，尖端離主光軸

4、遠(yuǎn)的稱負(fù)彗差）。彗差與球差常?；煸谝黄穑挥挟?dāng)軸上物點(diǎn)的球差已消除時(shí)，才能明顯地觀察到傍軸物點(diǎn)的彗差。彗差的大小與孔徑及視場都有關(guān)系，且由于消彗差與消球差的條件不一致，兩者一般不容易同時(shí)消除。像散屬于單色像差，光學(xué)系統(tǒng)的透鏡表面在不同方向上有不同的連續(xù)曲率，其子午截面與弧矢截面上的曲率相差最大，離主光軸較遠(yuǎn)物點(diǎn)發(fā)出的光束在通過光學(xué)系統(tǒng)后，我們可以把它分解成“極端”的子午光束和弧矢光束。因?yàn)樽游缑鎯?nèi)的入射光線比弧矢面的入射光線更為傾斜，透鏡對(duì)子午面內(nèi)的光線具有更強(qiáng)的聚光能力，使其焦距更短。因此它們各自匯聚于一點(diǎn)，并不重合。這會(huì)使得點(diǎn)像失真的形象更為復(fù)雜。像散只與人射光束

5、的傾斜度有關(guān)。場曲屬于單色像差，它是球面光學(xué)系統(tǒng)所固有的像差，使得平面物體反射的光線通過光學(xué)系統(tǒng)后，像面變成一彎曲的面。這樣，平面物體的中心與邊緣的像不能同時(shí)聚焦于同一個(gè)平直的像面上。對(duì)于天文攝影來講，場曲屬于比較嚴(yán)重的像差，因?yàn)樘炜毡尘吧系奶祗w距離我們都是無限遠(yuǎn)，這對(duì)于整個(gè)畫面來講，就相當(dāng)于拍攝平面物體。如果我們的對(duì)焦點(diǎn)在視場中心位置，那么邊緣特別是四角的恒星會(huì)變長（點(diǎn)像的長軸在像場的直徑方向上）、變大和變虛。畸變亦屬于單色像差，其產(chǎn)生的原因在于入射光線的球差隨視場角的變化而改變，因而在一對(duì)共軛物像平面上，放大率隨視場位置而變化，從而使物體像的形狀變形?；冸m然不影

6、響點(diǎn)像的清晰度，但視場內(nèi)的點(diǎn)像會(huì)是越靠近邊緣（特別是“四角”）越大，形象雖類似于前者，但邊緣的點(diǎn)像并不虛。位置（軸向）色差和倍率（橫向）色差屬于復(fù)色像差，前者的表現(xiàn)為：軸上一物點(diǎn)發(fā)出的復(fù)色光（白光）通過光學(xué)系統(tǒng)后，由于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同波長的光有不同的折射率，各色光不交于光軸上的同一點(diǎn)，這會(huì)使得某一像面上的點(diǎn)像的周圍形成“色邊”；當(dāng)校正了位置色差的光學(xué)系統(tǒng)，軸外物點(diǎn)發(fā)出的復(fù)色光通過光學(xué)系統(tǒng)后只能使其點(diǎn)像的像面重合在一起，但各個(gè)單色光的放大率不相同（因?yàn)椴ㄩL不同），因而各具有不同的像高，這種因?yàn)榉糯舐实牟町惗鸬纳罘Q為培率色差。倍率色差會(huì)使得點(diǎn)像的某一邊或?qū)ΨQ的兩邊形成

7、“色邊”，其大小受光闌位置影響。另外，倍率色差經(jīng)常與彗差混合在一起，形成“色彗差”。實(shí)際上，由于光的波動(dòng)性，即便是沒有任何像差的“理想成像”，像點(diǎn)也不是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是形成一個(gè)如射擊靶子的圖形，中心的“靶心”聚集了大部分光的能量，其余的光能量則形成了一圈圈如靶環(huán)一樣但不等距也不等寬的光環(huán)（從中心往外，亮的“靶環(huán)”越來越窄，間隔也越來越大）。這是因?yàn)殡姶挪ㄍㄟ^光學(xué)系統(tǒng)中限制光束口徑的孔徑光闌（如，天文望遠(yuǎn)鏡中限制光線通過的光闌，或是天文望遠(yuǎn)鏡的鏡筒本身）時(shí)發(fā)生了衍射。在實(shí)際的光束聚焦點(diǎn)（像點(diǎn)）附近，用幾何光學(xué)理論計(jì)算的誤差較大，因此，必須是用把光看作為