光学设计中的像差

本文将以用图文并茂的方法、较为通俗易懂的方式讲述光学设计中的几种光学像差。

像差是什么，像差说白了，就是理想光线与实际光线之间的偏差。

为什么要矫正像差，因为像差是影响成像清晰度的主要原因，当然次要原因就是一些环境因素了，而光学设计的目的就是通过镜片的组合来矫正像差。

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球差

初中我们就知道，放大镜（凸透镜）可以聚焦，让光线汇聚去烤蚂蚁烤树叶，但是它会将光线汇聚成一个理想的点吗，显然是不能的，如下图所示。

在这种聚焦的时候，光线不能很好的聚集在一个点上，我们称它为球差。下图为光线到达像面上的分布形状，会呈现明显的弥散环，红色为标注。

那这种偏差怎么去消除呢，方法也很简单，正负透镜组合消除球差。因为正透镜有负球差，负透镜有正球差。正负组合，正负球差就会抵消，如下图所示。

明显看到，聚焦的效果已经明显好了很多，值得注意的是，正透镜通常为冕牌K玻璃，负透镜通常为火石F玻璃。

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慧差

慧差可以理解成有角度的光线进入系统后在像面上形成的球差，球差是0°角度进入系统的，如下图所示。

慧差在像面上的分布形状是一个有头有尾的彗星图案，所以称它为慧差。

那么慧差怎么去消除呢，其实，在结构正确、优化方法正确的情况下，只要把弥散斑收敛到位，所有的像差都会随之矫正的，不然强行用操作数减小某一个像差，会给其他像差造成很大的影响。后续的文章中会陆续提到的。

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像散

如下图为像散的描述图（图片来源网络）

像散有很多人觉得很抽象，不好理解，来打个比方就知道了。

在光学设计软件中，光线分为水平和垂直，水平的叫弧矢S，垂直的叫子午T，很好记忆，水平弧矢(HUSHI)就是S，垂直子午,T的形状就是垂直的样子。（图中的方向描述可能有出入，以本文为准）。图其实不复杂，先告诉我那个地方聚焦最好，横线？竖线？还是它们之间的那个圆？答案是都不好，这就是像散。

举个例子，你偏理科（横线），恋人偏文科（竖线）。

你跟恋人讲理科，她很难受很煎熬（你理科很强，聚焦是一个点，但她理科很弱，根本聚焦不起来，最后形状就成了一个与椭圆类似的线条）；

同理，你恋人跟你讲文科你也懒得理她。

于是你们听了歌，♪如果当时我们能不那么倔强~♪，就商量，各退一步，文理双修（中间的圆），这个圆的地方，就是像散最小的地方。

像散就是两门学科之间的差距，也就是水平弧矢S方向和垂直子午T方向直接的偏差。

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场曲

最难理解的像散已经说了，剩下的就很简单了,场曲如下图所示。

图中，各个角度的光线聚焦比较好的位置连起来，并不是直的像面，而是一个曲面，这个东西就是场曲，叫做像场弯曲。场曲的影响就是中心视野像质还好，越往画面外面kao所以在拍摄大型团体照的时候，经常为呈现一个弧形的站位。

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畸变

畸变就很简单了，比如门上的猫眼，可以看到很广很广的范围，类似于广角镜头，畸变就是像的变形。如下图所示（图片来源网络）。

畸变通常在视野角度比较大的时候有，畸变不会影响清晰度，只会导致图片形状改变，左图就是枕型畸变（记忆：ZHEN 正畸变），右图为桶形畸变（负畸变）。

------------------------------------------------------------------------------色差

色差也很好理解了，每个透镜对不同波长的光线的折射率是不同的，像我们说的nd，就是透镜对d光的折射率。每个波长的折射率不同，那么每个波长的光线聚焦的位置自然也不同，这个东西就是色差。

通常会听到轴向色差和垂轴色差，这确实是两个东西，但是没有必要去纠结。

首先，色差存在，然后光线汇聚在光轴上面，在光轴上产生的色差就是轴向色差，但是光线最终是打在像面上的呀，在像面上的色差大小就是垂轴色差，纠结这个其实没有什么意义。

色差的矫正只能依靠材料，哪怕是双胶合消色差物镜，消色差的原理仍然是材料，低折射率高阿贝数的冕牌玻璃和高折射率低阿贝数的火石玻璃就可以矫正色差，对于复杂的系统，一般会用锤形优化来替换玻璃材料，优化方法我们后续讲到。

来源：瑞雪纷飞光学