技术中心｜几何像差小知识

实际光学系统在成像时和理想光学系统存在很大差异，由物点所发出的光线经光学系统后不会汇聚得到一个理想的像点，而是一个弥散斑的大小、形态等性质与系统的像差有关。对于单色光而言，存在五种不同的像差：球差、彗差、像散、场曲和畸变，统称为单色像差。然而，实际光学系统大多是对白光或者复色光成像的，由于介质对不同色光的折射率不同，会导致不同色光成像的位置、大小等均有不同，这种差异被称为色差。色差分为两种，分别是位置色差和倍率色差。由于上述几种像差均是基于几何光学讨论，故统称为几何像差。

球差（Spherical Aberration）

轴上物点发出的光束通过透镜时，由于透镜中心区域和边缘区域对光线的会聚能力不同，导致不同角度的入射光线在光轴上无法汇聚于同一点，相对理想像点的位置有所偏离，从而在像面上形成一个圆形弥散斑。球差是轴上点成像时唯一存在的单色像差。由于球差的存在，原本应该清晰的点光源在像面上变成了一个弥散的圆斑，会导致图像边缘模糊，细节信息丢失。

晶萃光学，几何光学像差

像散（Astigmatism）

在介绍像散之前，需要先了解子午面和弧矢面的概念。其中子午面是指包含轴外物点、主光线以及光轴所在的平面，弧矢面是指包含轴外物点、主光线且与子午面垂直的平面。

晶萃光学，几何光学像差

像散是指轴外物点发出的光束，在通过光学系统后，其子午像点与弧矢像点不重合的现象。在子午像点的位置，弧矢面光线成线状（子午焦线）；反之，在弧矢像点的位置，子午面光线成线状（弧矢焦线）。由于像散的存在，轴外物点成像会形成一个椭圆形的光斑，且随着观察屏位置的不同，椭圆的形状也会发生变化。

彗差（Coma）

彗差是一种轴外点像差，因为轴外物点所成的像如同拖尾的彗星，因此叫做彗差。这是由于轴外物点发出的光束在像方失去对称性，偏向主光线的同一侧，并且在像面处无法聚焦到主光线和像面的交点上所导致的。其中靠近主光线的细光束形成了亮点，远离主光线的不同的宽光束形成了不同的圆环，且距离主光线像点越远，形成的圆斑直径越大，亮度越低。

彗差可进一步分为子午彗差和弧矢彗差，子午面 / 弧矢面内对称于主光线的各对光线在经过光学系统后的交点与主光线之间的距离称为子午彗差 / 弧矢彗差。一般子午彗差和弧矢彗差都同时存在，且弧矢彗差总比子午彗差小，大约等于子午彗差的1/3。

晶萃光学，几何光学像差

场曲（Fields Curvature）

场曲，即像场弯曲，是指当物体通过光学系统成像时，物体所成的像和理想像面并不重合，发生偏离的现象。其中由子午像点构成的像面称为子午像面，由弧矢像点构成的像面称为弧矢像面。这些像点并不处于一个平面内，而是形成了一个对称于光轴的旋转曲面，分别对应于子午场曲和弧矢场曲。场曲的存在会影响整个像面的清晰度，使得一个较大的平面物体无法在各点保持清晰：中心部分较为清晰，而边缘部分则相对模糊。

晶萃光学，几何光学像差

畸变（Distortion）

畸变是主光线产生的像差。对于一个实际光学系统，像的放大率会随着视场变化，使得像发生变形。这种变化使得图像的形状不再保持原有的几何比例，导致图像出现扭曲或变形。畸变通常分为正畸变（也称枕形畸变）和负畸变（也称桶形畸变），前者表现为图像中心向内凹，后者则表现为图像中心向外凸。畸变仅由主光线的光路决定，它只改变轴外物点在理想像面的成像位置，但对像的清晰度并无影响。

晶萃光学，几何光学像差

色差（Chromatic Aberration）

光学材料对不同波长的光线具有不同的折射率，而大多数光学系统是对一定光谱范围内的光成像，因此不同色光的成像位置和大小会存在差异，产生色差。色差可以进一步分为位置色差和倍率色差。

位置色差是由于不同波长的光线在轴上的成像位置差异所导致的，也称为轴向色差。倍率色差是由于不同波长的光线成像倍率不同所引起的像大小差异，也称为垂轴色差。色差的存在，会降低图像的清晰度和对比度，甚至还会使像出现彩色边缘或者模糊，严重影响成像的准确度和质量。

晶萃光学，几何光学像差

对于一个光学系统而言，完全消除像差是不可能的，也是没必要的。一般可以通过将透镜、光阑等元件组合在一起，通过合理设计各元件的参数，可以实现像差的相互补偿。通过将像差控制到某一合理范围内，使得人眼或接收器无法察觉，即可认为得到了符合标准的像质。这种通过多种元件相互组合的方式在光学系统中有着广泛应用，如相机镜头、望远镜等。