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一、光學(xué)系統(tǒng)中的像差分類

光學(xué)系統(tǒng)的像差可以用幾何像差來(lái)描述，常見(jiàn)的初級(jí)像差包括5種單色像差（球差、慧差、像散、場(chǎng)曲、畸變）和2種色差（球色差、倍率色差）。

（一）球差：

球差也叫球面像差，是指軸上物點(diǎn)發(fā)出的光束通過(guò)球面透鏡時(shí)，透鏡不同孔徑區(qū)域的光束最后匯聚在光軸的不同位置，在像面上形成圓形彌散斑（如圖1所示），這就是球差。

圖1 球差示意圖

（二）慧差：

慧差就是軸外物點(diǎn)（軸外視場(chǎng)點(diǎn)）所發(fā)出的錐形光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后，在理想像面形成拖著尾巴如彗星狀的光斑，而不是完美的像點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 慧差示意圖

（三）像散：

像散是指軸外物點(diǎn)發(fā)出的錐形光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，光斑在像面上子午方向與弧失方向的不一致性，即軸外視場(chǎng)的光束通過(guò)光瞳后，在子午方向與弧失方向光程不相等，兩個(gè)方向光斑分離形成彌散斑，如圖3所示。

圖3 像散示意圖

（四）場(chǎng)曲：

場(chǎng)曲也叫“像場(chǎng)彎曲”，是指平面物體透過(guò)透鏡系統(tǒng)后，所有平面物點(diǎn)聚焦后的像面不與理想像面重合，而是呈現(xiàn)出一個(gè)彎曲的像面，如圖4所示。

圖4 場(chǎng)曲示意圖

（五）畸變：

畸變指物體通過(guò)鏡頭成像時(shí)，實(shí)際像面與理想像面之間產(chǎn)生形變，即物體成像后物體的像并非物體的等比縮放，由于局部放大率的不等而使物體的像產(chǎn)生變形?；兎譃閮煞N：正畸變和負(fù)畸變，即枕形畸變和桶形畸變，如圖5所示。

圖5 畸變示意圖

（六）色差:

色差指顏色像差，是由于同種材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射率，便造成了多波長(zhǎng)的光束通過(guò)透鏡后傳播方向分離，也就是色散現(xiàn)象，不同波長(zhǎng)的光匯聚于不同位置，就形成了一定大小的色斑。色差分為兩種：軸向色差和垂軸色差。

軸向色差也叫球色差或位置色差，是指不同波長(zhǎng)的光束通過(guò)透鏡后焦點(diǎn)位于沿軸的不同位置，如圖6所示。

垂軸色差也叫倍率色差，是指軸外視場(chǎng)不同波長(zhǎng)的光束通過(guò)透鏡聚焦后在像面上高度各不相同，即每個(gè)波長(zhǎng)成像后的放大率不同，如圖7所示。

圖6 軸向色差示意圖

圖7 垂軸色差示意圖

二、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的像差校正

（一）球差校正：

在實(shí)際應(yīng)用中球差校正主要使用兩種方法：凹凸透鏡補(bǔ)償法和非球面校正球差?？梢圆捎迷黾油哥R的方法，增加凹凸面，減小球差大小；在不能增加透鏡的情況下，常使用二次曲面來(lái)消除球差。

（二）慧差校正：

慧差是由外視場(chǎng)物點(diǎn)成像形成的，可以通過(guò)調(diào)整視場(chǎng)光闌的方法來(lái)減小慧差，即調(diào)整光闌與鏡頭的相對(duì)位置來(lái)優(yōu)化慧差；還可以使用對(duì)稱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來(lái)校正慧差。

（三）像散校正：

由于像散是軸外視場(chǎng)物點(diǎn)成像的不完美性造成的，可以通過(guò)調(diào)節(jié)視場(chǎng)光闌的位置來(lái)減小像散影響；還可以使用對(duì)稱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來(lái)校正像散；也可以使用遠(yuǎn)離視場(chǎng)光闌的非球面透鏡校正像散。

（四）場(chǎng)曲校正：

場(chǎng)曲是由于視場(chǎng)因素造成的，故可通過(guò)調(diào)節(jié)視場(chǎng)光闌的位置來(lái)減小場(chǎng)曲；也可使用對(duì)稱結(jié)構(gòu)來(lái)有效地減小場(chǎng)曲；另外，使用匹茲萬(wàn)鏡頭形式，即將最后透鏡面設(shè)計(jì)為凹透鏡也可校正場(chǎng)曲。

（五）畸變校正：

畸變是由于光線系統(tǒng)不同物點(diǎn)成像后放大率不同造成的像面形變，它與視場(chǎng)緊密相關(guān)，故不同視場(chǎng)光闌位置得到的畸變貢獻(xiàn)不一致，通常對(duì)稱結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)的畸變最小，如雙高斯或庫(kù)克三片對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

（六）色差校正：

對(duì)于色差的校正，通常使用雙膠合消色差透鏡或三膠合復(fù)消色差透鏡，在光學(xué)設(shè)計(jì)中，我們可以使用冕牌玻璃和火石玻璃材料的組合來(lái)對(duì)色差進(jìn)行補(bǔ)償。另外，對(duì)于高精密消色差要求的系統(tǒng)，或色差較大使用普通玻璃很難消除的情況，常常使用二元衍射光學(xué)元件進(jìn)行色差消除，使用衍射的方法可在鏡片較少、材料有限的情況下較高水平地消除色差。