光学系统设计中的像差及像差校正

发布时间：2025-08-18 22:12

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一、光学系统中的像差分类

光学系统的像差可以用几何像差来描述，常见的初级像差包括5种单色像差（球差、慧差、像散、场曲、畸变）和2种色差（球色差、倍率色差）。

（一）球差：

球差也叫球面像差，是指轴上物点发出的光束通过球面透镜时，透镜不同孔径区域的光束最后汇聚在光轴的不同位置，在像面上形成圆形弥散斑（如图1所示），这就是球差。

图1 球差示意图

（二）慧差：

慧差就是轴外物点（轴外视场点）所发出的锥形光束通过光学系统成像后，在理想像面形成拖着尾巴如彗星状的光斑，而不是完美的像点，如图2所示。

图2 慧差示意图

（三）像散：

像散是指轴外物点发出的锥形光束通过光学系统聚焦后，光斑在像面上子午方向与弧失方向的不一致性，即轴外视场的光束通过光瞳后，在子午方向与弧失方向光程不相等，两个方向光斑分离形成弥散斑，如图3所示。

图3 像散示意图

（四）场曲：

场曲也叫“像场弯曲”，是指平面物体透过透镜系统后，所有平面物点聚焦后的像面不与理想像面重合，而是呈现出一个弯曲的像面，如图4所示。

图4 场曲示意图

（五）畸变：

畸变指物体通过镜头成像时，实际像面与理想像面之间产生形变，即物体成像后物体的像并非物体的等比缩放，由于局部放大率的不等而使物体的像产生变形。畸变分为两种：正畸变和负畸变，即枕形畸变和桶形畸变，如图5所示。

图5 畸变示意图

（六）色差:

色差指颜色像差，是由于同种材料对不同波长的光有不同的折射率，便造成了多波长的光束通过透镜后传播方向分离，也就是色散现象，不同波长的光汇聚于不同位置，就形成了一定大小的色斑。色差分为两种：轴向色差和垂轴色差。

轴向色差也叫球色差或位置色差，是指不同波长的光束通过透镜后焦点位于沿轴的不同位置，如图6所示。

垂轴色差也叫倍率色差，是指轴外视场不同波长的光束通过透镜聚焦后在像面上高度各不相同，即每个波长成像后的放大率不同，如图7所示。

图6 轴向色差示意图

图7 垂轴色差示意图

二、光学系统设计中的像差校正

（一）球差校正：

在实际应用中球差校正主要使用两种方法：凹凸透镜补偿法和非球面校正球差。可以采用增加透镜的方法，增加凹凸面，减小球差大小；在不能增加透镜的情况下，常使用二次曲面来消除球差。

（二）慧差校正：

慧差是由外视场物点成像形成的，可以通过调整视场光阑的方法来减小慧差，即调整光阑与镜头的相对位置来优化慧差；还可以使用对称结构系统来校正慧差。

（三）像散校正：

由于像散是轴外视场物点成像的不完美性造成的，可以通过调节视场光阑的位置来减小像散影响；还可以使用对称结构系统来校正像散；也可以使用远离视场光阑的非球面透镜校正像散。

（四）场曲校正：

场曲是由于视场因素造成的，故可通过调节视场光阑的位置来减小场曲；也可使用对称结构来有效地减小场曲；另外，使用匹兹万镜头形式，即将最后透镜面设计为凹透镜也可校正场曲。

（五）畸变校正：

畸变是由于光线系统不同物点成像后放大率不同造成的像面形变，它与视场紧密相关，故不同视场光阑位置得到的畸变贡献不一致，通常对称结构贡献的畸变最小，如双高斯或库克三片对称结构。

（六）色差校正：

对于色差的校正，通常使用双胶合消色差透镜或三胶合复消色差透镜，在光学设计中，我们可以使用冕牌玻璃和火石玻璃材料的组合来对色差进行补偿。另外，对于高精密消色差要求的系统，或色差较大使用普通玻璃很难消除的情况，常常使用二元衍射光学元件进行色差消除，使用衍射的方法可在镜片较少、材料有限的情况下较高水平地消除色差。

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