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光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的像差及像差校正

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描述，常見的初級像差包括5種單色像差（球差、慧差、像散、場曲、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)（軸外視場點(diǎn)）所發(fā)出的錐形光束通過光學(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，即軸外視場的光束通過光瞳后，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）場曲：

場曲也叫“像場彎曲”，是指平面物體透過透鏡系統(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 場曲示意圖

（五）畸變：

畸變指物體通過鏡頭成像時(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，是由于同種材料對不同波長的光有不同的折射率，便造成了多波長的光束通過透鏡后傳播方向分離，也就是色散現(xiàn)象，不同波長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，是指不同波長的光束通過透鏡后焦點(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，是指軸外視場不同波長的光束通過透鏡聚焦后在像面上高度各不相同，即每個(gè)波長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??；在不能增加透鏡的情況下，常使用二次曲面來消除球差。

（二）慧差校正：

慧差是由外視場物點(diǎn)成像形成的，可以通過調(diào)整視場光闌的方法來減小慧差，即調(diào)整光闌與鏡頭的相對位置來優(yōu)化慧差；還可以使用對稱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來校正慧差。

（三）像散校正：

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

（四）場曲校正：

場曲是由于視場因素造成的，故可通過調(diào)節(jié)視場光闌的位置來減小場曲；也可使用對稱結(jié)構(gòu)來有效地減小場曲；另外，使用匹茲萬鏡頭形式，即將最后透鏡面設(shè)計(jì)為凹透鏡也可校正場曲。

（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，它與視場緊密相關(guān)，故不同視場光闌位置得到的畸變貢獻(xiàn)不一致，通常對稱結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)的畸變最小，如雙高斯或庫克三片對稱結(jié)構(gòu)。

（六）色差校正：

對于色差的校正，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對色差進(jìn)行補(bǔ)償。另外，對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。