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光行天下 -> 光学设计及经验 -> 平行光以大角度入射透镜后就无法聚焦? [点此返回论坛查看本帖完整版本]

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wlingjie

2012-04-17 00:50

平行光以大角度入射透镜后就无法聚焦?

好像根据学到的物理理论, 射入凸透镜的平行光会在凸透镜的焦平面上聚焦为一个点. 那么我想, 即使是斜射入凸透镜的光也应该在焦平面上形成一个点的吧, 即使这道光不平行于光轴.

但是在实际上却发现不是这样, 当光线不平行于光轴, 斜射入透镜的话, 会根据角度的大小不同程度地发生无法聚焦的情况:

上图里透镜上方有四盏一样的灯, 只有最靠近光轴的那盏灯得到的很好的成像, 而其他三盏灯不同程度地无法聚焦.
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请问大家是否了解这个问题的原因以及如何解决? 非常感谢.
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17日更新:
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谢谢大家的回复, 因为我的职业是艺术家, 不是光学领域的专业人员, 所以懂得比较少, 一些大家看起来显而易见的知识我可能却毫无了解. t:7jlD!d
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根据大家的回复, 我大概了解这应该是像差所带来的问题, 那么请问这一般是什么相差呢? 慧形相差? 成像面弯曲? [~wcHE
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请问有什么样的方法可以消除, 或者减少相差? 用非球面镜片? 还是需要镜片组来矫正? 有没有只用一片镜片的解决方法? f *vziC<m
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问题比较多比较散, 但是谢谢大家了.
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18日更新:

非常, 非常谢谢 @zebra   的回复, 你解答了我心中最大的疑惑, 我现在大概有一个概念了. 我总结一下, 总的来说, 想用一块镜片达到完美的成像是不可能的吧.

问这些是因为我正在做一个涉及不少光学知识的艺术作品, 构思来源于我们小时候都玩过用放大镜聚焦太阳的光聚集在一点上, 于是我想, 如果我把放大镜朝着天空固定住, 那么随着太阳在天上的移动, 被放大镜聚集的那一点太阳光也会随之移动. 我在镜片的焦平面上放了一张温变纸, 超过70度的情况下会变色. 于是, 每天太阳都会用放大镜聚集的高温点在纸上画出一道痕迹来.

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后来做了一个装置原型, 但是发现, 当太阳比较低的时候, 比如早晨和傍晚, 太阳光入射透镜的角度很大, 透镜无法将光线聚集在一点上, 而是形成如楼上各位所提到的彗形光斑. 在这样的情况下, 能量损失非常大, 无法在热敏纸上留下痕迹. 从而我记录下的每天太阳就是不完整的. 一般只有上午10点半到下午4点的太阳摄入透镜才能被比较好地聚焦, 大约在光轴两侧各30度, 共60度的范围内.

那我进一步问一下, 当然经过 @zebra   的解释我不再寻求用一块镜片的涵括180度成像的方法. 但是如果说为了要改善, 让光在大角度入射的时候也能得到比较好的聚焦效果, 我有哪些选择, 是添加镜片, 用其他镜片来矫正呢? 还是可以定制某种特别的单一镜片, 多多少少可以做出某种补偿?

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20号更新:

首先还想弱弱地问一下, 在光学领域, 我们是否只能通过反复地实验来找到最符合设计需求的参数组合? 有没有模型或者软件可以帮助模拟做实验, 从而避免反复的真实实验所带来的大量时间成本?   ]nh)FMo
在我的创作构思中, 我希望观众看到的是一个很简单的, 他们能够理解的光学现象, 能够让他们回忆起来自己小时候都玩过的, 用放大镜烧东西的游戏. 所以我总是试图寻找尽可能只用一块镜片的解决方案. 如果呈现在观众眼前的是过于复杂的的光学系统, 我担心他们会感觉这是一个科学装置, 而很难产生共鸣. ?m6E@.{
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根据 "单一的透镜是不可能矫正像差的, 只能想办法使其尽可能减少." 我想知道这种"尽可能减小"能够小到什么程度? 是否一定需要光栏? 纯粹调整透镜的形状能够有多大的帮助? 7o<RvM
C1J'. !
再次感谢...

optifdtd	2012-04-17 08:31
有像差存在,所以无法完美成像 ]:;gk&P &Lw\| t_y 彗差,像散

loptic	2012-04-17 10:08
这个兄弟没学过几何光学啊

f-22	2012-04-17 10:52
大哥你不知道有个东西叫像差啊

panyingkok	2012-04-17 12:06
斜的平行光就是有视场的意思，有了一定的视场所以像差明显了

aa_horse	2012-04-17 15:57
以四盏灯作为光源，你怎么确定发出的光线是平行光？我猜应该当作点光源来看待，接着分物方焦点的左侧和右侧来讨论，接着再考虑像差. tUtl>>6Iu 新人发言，说错了请指正！

wlingjie

2012-04-17 18:52

谢谢大家的回复, 因为我的职业是艺术家, 不是光学领域的专业人员, 所以懂得比较少, 一些大家看起来显而易见的知识我可能却毫无了解.

根据大家的回复, 我大概了解这应该是像差所带来的问题, 那么请问这一般是什么相差呢? 慧形相差? 成像面弯曲?

请问有什么样的方法可以消除, 或者减少相差? 用非球面镜片? 还是需要镜片组来矫正? 有没有只用一片镜片的解决方法?

问题比较多比较散, 但是谢谢大家了.

wlingjie	2012-04-17 18:55
我在照片里用的那块透镜据说已经是非球面镜了.

wlingjie	2012-04-17 18:56
f-22:[表情] 大哥你不知道有个东西叫像差啊 (2012-04-17 10:52) ~GMlnA]6 9QZ;F4 r 我自己维基了一下大概了解了相差这个概念, 但是就我现在碰到的情况应该是什么样的相差呢? 彗形相差? 还是成像面弯曲? 谢谢.

wlingjie	2012-04-17 18:57
loptic:这个兄弟没学过几何光学啊[表情] (2012-04-17 10:08) -P^ 6b( 1zl6Rwk^o 没有学过呢, 我不是专业人员...

wlingjie

2012-04-17 18:59

aa_horse:以四盏灯作为光源，你怎么确定发出的光线是平行光？我猜应该当作点光源来看待，接着分物方焦点的左侧和右侧来讨论，接着再考虑像差. ,A T!:&<X
新人发言，说错了请指正！ (2012-04-17 15:57) 0'{0kE[wn

谢谢回复.

其实我也不确定四盏灯的光线是平行光, 但是我根据学到的物理学知识来臆想, 这四盏灯的成像无论如何都应该像灯才是, 所以不理解...

zebra

2012-04-18 00:39

哇! 藝術家做光學實驗，先敬佩一下。

光學書籍會告訴你，像差有球差、彗差、像散、場曲、畸變、軸向色差、垂軸色差、二次色差、色球差、三階像差、五階、七階…一大堆像差，一言難盡，想要了解請看專書。不同的鏡頭的像差特性不一樣。附帶一提，是彗差而非慧差，彗差是指聚焦點類似彗星拖尾的形狀，和智慧沒有關係。
qChS} Q
消像差需使用多重鏡片互相補償，以減少像差。但光學理論證明，永遠無法達到零像差之鏡頭設計。非球面有助於某些像差修正，但非萬靈丹。
只用一片鏡片解決? 這是理想，實際不可能。真要做到，必是現有光學學理的重大突破，可拿諾貝爾物理學獎了!

你的四盞燈源不算小，與鏡片不夠遠，此實驗條件之光源不算點光源，也不算平行入射光。

要從成像品質反推各種像差成份是件很難及專業的事，例如需要精準的儀器量測、做干渉圖型、Zernike擬合等等。

以上。

wlingjie

2012-04-18 03:32

zebra: gk]r:p<O
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哇! 藝術家做光學實驗，先敬佩一下。 NU_VUd2
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非常, 非常谢谢 @zebra 的回复, 你解答了我心中最大的疑惑, 我现在大概有一个概念了. 我总结一下, 总的来说, 想用一块镜片达到完美的成像是不可能的吧.

问这些是因为我正在做一个涉及不少光学知识的艺术作品, 构思来源于我们小时候都玩过用放大镜聚焦太阳的光聚集在一点上, 于是我想, 如果我把放大镜朝着天空固定住, 那么随着太阳在天上的移动, 被放大镜聚集的那一点太阳光也会随之移动. 我在镜片的焦平面上放了一张温变纸, 超过70度的情况下会变色. 于是, 每天太阳都会用放大镜聚集的高温点在纸上画出一道痕迹来.
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后来做了一个装置原型, 但是发现, 当太阳比较低的时候, 比如早晨和傍晚, 太阳光入射透镜的角度很大, 透镜无法将光线聚集在一点上, 而是形成如楼上各位所提到的彗形光斑. 在这样的情况下, 能量损失非常大, 无法在热敏纸上留下痕迹. 从而我记录下的每天太阳就是不完整的. 一般只有上午10点半到下午4点的太阳摄入透镜才能被比较好地聚焦, 大约在光轴两侧各30度, 共60度的范围内.
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那我进一步问一下, 当然经过 @zebra 的解释我不再寻求用一块镜片的涵括180度成像的方法. 但是如果说为了要改善, 让光在大角度入射的时候也能得到比较好的聚焦效果, 我有哪些选择, 是添加镜片, 用其他镜片来矫正呢? 还是可以定制某种特别的单一镜片, 多多少少可以做出某种补偿?

sundawning	2012-04-18 20:22
同求问，我不太懂。。。

jerri	2012-04-19 10:46
呵呵支持一下艺术活动

wlingjie	2012-04-19 19:02
jerri:呵呵支持一下艺术活动 (2012-04-19 10:46) vY.p~3q :) >5XE*9 谢谢. :)

漠scott北	2012-04-19 22:02
学习学习

f-22	2012-04-20 09:41
原来楼主是搞艺术的，赞一个早晚的太阳很多是大气折射的，可能阳光本身能量也不够吧，我记得有一种寻日镜的技术，简单说就是透镜跟着太阳转，仅供楼主参考

qsj98

2012-04-20 09:59

隔行如隔山，艺术哥的光学实验做到如此这般也是不容易了。捧场凑个热闹。实验尚可继续做下去。
1．    将像面做成圆孤形。以轴上点（垂直入射光）的像点到透镜的距离为半径，做一个圆孤形的接收屏幕（做成球面也可）；
2．     改变、减小通光孔径。找几张不透光的纸，面积要求能覆盖整个透镜，分别在中央制作出不同直径的通光圆孔，如1毫米、2毫米、4毫米、8毫米等等，称之为“光栏”，每次用一片光栏盖在透镜上，小孔中心与透镜中心尽可能重合。
重复你的实验，成像质量会有所改观。找出成像较好且通过的光能量可满足你要求的光栏。如你还有兴致，则
3．    改变光栏位置。光栏放在透镜上方、下方，调整光栏与透镜之间的距离试试，找到一个成像质量最好的组合状态。
通过你自已的实验和热心人的回帖，你应该建立了如下概念：
A．    任何光学系统都存在像差，实际像和理想像的不一致即像差；
B．    对一确定的光学系统，成像质量与通光孔径、视场角（入射倾角）及光栏位置有关；
C．    单一的透镜是不可能校正像差的，只能想办法使其尽可能减小。

wlingjie

2012-04-20 19:05

f-22:原来楼主是搞艺术的，赞一个[表情] 早晚的太阳很多是大气折射的，可能阳光本身能量也不够吧，我记得有一种寻日镜的技术，简单说就是透镜跟着太阳转，仅供楼主参考[表情] (2012-04-20 09:41) 4&Y{kNF

@f-22 谢谢.

我考虑过制造一种追踪光源的设备来跟踪太阳. 但是缺点是这样一来, 整体装置就会有很强的认为干预痕迹, 以至于最终让人感觉太阳留下的影像是我故意这么设计的, 而非纯自然的呈现. 有电子设备的介入, 会距离构思里的那种最简单的, 小时候的回忆: 拿放大镜烧东西这种感受更远了...

无论如何, 谢谢你的建议.

wlingjie

2012-04-20 19:37

qsj98:隔行如隔山，艺术哥的光学实验做到如此这般也是不容易了。捧场凑个热闹。实验尚可继续做下去。 $o2H#"
1．将像面做成圆孤形。以轴上点（垂直入射光）的像点到透镜的距离为半径，做一个圆孤形的接收屏幕（做成球面也可）； .dM4B'OA?
2．改变、减 .. (2012-04-20 09:59) ,/*L|M/&5

@qsj98 : 谢谢..

首先还想弱弱地问一下, 在光学领域, 我们是否只能通过反复地实验来找到最符合设计需求的参数组合? 有没有模型或者软件可以帮助模拟做实验, 从而避免反复的真实实验所带来的大量时间成本?

在我的创作构思中, 我希望观众看到的是一个很简单的, 他们能够理解的光学现象, 能够让他们回忆起来自己小时候都玩过的, 用放大镜烧东西的游戏. 所以我总是试图寻找尽可能只用一块镜片的解决方案. 如果呈现在观众眼前的是过于复杂的的光学系统, 我担心他们会感觉这是一个科学装置, 而很难产生共鸣.

根据 C. 单一的透镜是不可能矫正像差的, 只能想办法使其尽可能减少. 我想知道这种"尽可能减小"能够小到什么程度? 是否一定需要光栏? 纯粹调整透镜的形状能够有多大的帮助?

再次感谢...

qsj98

2012-04-22 10:12

你的执着实在今人佩服。
1．    现在有许多优秀的光学软件可以模拟光学系统，能计算、分析各种像差，能够知道“能够小到什么程度”，这就属于光学设计的范畴了。不知你所用透镜的表面半径、厚度、玻璃材料那就不能计算，只能建议继续试试。早期镜头是靠试验制造的，直到1841年，匈牙利数学家Petzval运用像差理论计算设计了Petzval镜头，这是全球第一例依靠设计而制造的镜头，标志着光学设计工作的开始；
2．    改变光栏的大小和位置是校正像差的手段之一，不用就少了一个“办法”。如不用专门设置的光栏，那么透镜框就是光栏；
3．    单一透镜，不设专门的光栏，平行光入射时（物体在无限远处），成像最佳的透镜形状近似地认为是平凸透镜且凸面对着物体方向；单个弯月形正透镜适当配置光栏能消初级球差、初级彗差、初级像散；
4．    纯粹调整单透镜的形状只能在一定范围内改变初级球差。你真有调整透镜形状的能力？换言之你可以加工制造透镜？
“隔行如隔山”，看来我缺乏“隔山”与你沟通的能力，也不知说清楚没有。还想继续探讨可电邮至2321919410@qq.com。

amiferous	2012-04-23 07:54
慧差，慧差

amiferous	2012-04-23 08:01
貌似把接收面做成弧形的方法不可行，毕竟最后的像是经过透镜而来的，由透镜产生的像差靠接收面是不会得到矫正的

huxingong	2012-04-23 14:25
楼主，好多事实和想法是有差距的，永远不要相信自己的眼睛，眼睛看到的只是表象

wlingjie	2012-05-01 07:09
huxingong:楼主，好多事实和想法是有差距的，永远不要相信自己的眼睛，眼睛看到的只是表象[表情] (2012-04-23 14:25) P y!$r evvv&$& 谢谢, 我觉得应该不要仅仅相信理论, 我眼睛看到的倒是真的...

wlingjie

2012-05-01 07:15

amiferous: s4`,Z*H
貌似把接收面做成弧形的方法不可行，毕竟最后的像是经过透镜而来的，由透镜产生的像差靠接收面是不会得到矫正的 kB9@ &t+

谢谢, 我目前采用的是一枚平凸镜, 平面朝向光源.

[attachment=41160]

在光轴两侧各30度内有比较好的聚光效果.

如果就调整凸面的话, 最好能到什么程度? 光入射角很低的情况下也能聚焦吗?

谢谢.

zebra	2012-06-11 15:45
看到樓主作品，記得國外也有藝術家與樓主英雄所見略同。 w>e+UW25Y 資料已找到，如附件。請參考。 u7SC_3R [attachment=41977] eD\|"?@cE [attachment=41978]

tian33208	2012-06-14 17:20
不错，顶一下。。

wlingjie	2012-08-01 07:11
zebra:看到樓主作品，記得國外也有藝術家與樓主英雄所見略同。 _>bk'V7 資料已找到，如附件。請參考。 yg6o#; [图片] J!}\v=Rn [图片] (2012-06-11 15:45) :`>tCYy; d@tf+_Ih 谢谢提供的资料. 太棒了.

wlingjie	2012-08-01 07:12
zebra:看到樓主作品，記得國外也有藝術家與樓主英雄所見略同。 Vk2%yw> 資料已找到，如附件。請參考。 TU;AO%5 [图片] #DARZhU) [图片] (2012-06-11 15:45) e z_c; atW^^4: 我还想再深入了解一下那位艺术家, 请问这是来自于哪本书的介绍? 能否告知书名和出版社, 谢谢.

wlingjie	2012-08-01 07:15
作品已经有了很大的进展, 请看我的网站: t=My=pG +>AVxV=A# www.wanglingjie.com/zh/sun-drawing/

zebra

2012-08-26 19:23

我的資料源自"世界益智發明搜奇"一書，台灣故鄉出版社，1983年出版。

書中介紹各種有趣的事物，但與您作品相關的只有上次附檔之內容，書中
沒有其他這位藝術家之資料了。

另外，閣下的作品讓我感受到一種流動，一種因緬懷時間流逝而在心中留下的烙痕，綿延不絕。

很棒的作品，得獎實至名歸啊!

huxingong	2013-04-22 14:34
哦也，楼主果然不是很专业 _W,?_"[R= 楼上的同志们解释的其实很详细了 nJ1<8 p 我就不多说了

心大的男孩	2019-08-07 16:55
有没有进行过理论计算？

mam07	2019-09-23 11:42
是的，我们管这个叫像差

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