Zemax光学设计(四)——几何像差

几何像差分类

球差

  轴上物点发出不同孔径的光线，经过折射后具有不同的像方截距,最后汇集在光轴的不同位置，在像面上形成圆形弥散斑。
  由于绝大多数玻璃透镜元件都是球面，所以球差的存在是必然的，球面单透镜的球差不可消除。

效果图

ZEMAX中描述

• Ray Fan 图也叫光扇图或光线差图。描述不同光瞳位置光线在像上高度与主光线高度差值。
  

• 不同孔径区域形成的弥散图：
  

• 从光程差上分析，球差的产生其实是波前相位的移动，即在出瞳参考球面与实际球面波前的差异：
  

• 当实际波前与参考波前产生分离时，光程差不再相等，这样物面同一束光经实际透镜和理想透镜后，相当于产生了牛顿干涉环：
  

• 赛德尔系数：赛德尔系数可以查看球差定量值，每个面的像差系数：
  

优化

• 主要应用两种方法：凹凸透镜补偿法和非球面校正球差。凸面提供正的球差，凹面提供负的球差。
• 可以采用增加透镜的方法，增加凹凸面，从而减小球差大小；在不能增加透镜的情况下，使用二次曲面消除球差。

慧差

• 轴外物点所发出的锥形光束通过光学系统成像后，在理想面不能成完美的像点，而是形成拖着尾巴如同彗星的光斑。
• 几何光学的方法描述，慧差表示外视场不同孔径区域的光束聚焦在像面上高度不同，这是由于外视场不同孔径区域成像放大率不同形成的。
• 几何光斑来看，即主光线光斑偏离整个视场光斑的中心。
• 由于慧差的存在，外视场聚焦光斑变大，使图像边缘像素拉伸变得模糊不清。慧差只存在于外视场，非旋转对称，在不同光瞳区的光线对入射在像面的高度各不相同。

效果图

ZEMAX中描述

• 几何光线形式：
  

• 光斑图
  

优化

• 调整视场光阑减小慧差，即在优化时调整光阑与镜头的相对位置优化慧差大小；
• 使用对称结构的光学系统可以十分有效地消除轴外视场的像差，如库克三片物镜、双高斯照相物镜等，都是将视场光阑置于镜头组中间使光阑两边对称。

像散

• 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矢方向光程不相等，造成两个光斑分离形成弥散斑。
• 像散类似于我们常说的散光，人眼看上下方向与左右方向清晰度不一致，主要是由于人的眼角膜方向弯曲不同，造成屈光度不同。
• 像散的存在会导致在调整成像光斑时始终找不到最佳焦点。
• 像散的大小与视场及孔径大小相关，同时注意视场光阑的影响。

效果图

ZEMAX中描述

• 光斑图：非旋转对称性，中间视场具有明显椭圆特征
  
• 3D视图：
    第2视场子午面，可以看到子午面光线处于未完全聚焦状态

  弧矢面：

• 离焦剖面图：

• 光线差图：光瞳Py和光瞳Px像差大小不相等
  

优化

• 调节视场光阑的位置减小像散影响，通常视场光阑原理镜头组像散会减小；或者和消除慧差一样使用对称结构

场曲

• 平面物体通过透镜系统后，所有的平面物点聚焦后的像面成一个弯曲的像面
• 每个物点都可以成一个清晰的像点，但所有像的集合却是曲面，我们看到的是一种清晰度渐变的效果
• 一般检测镜头或照相物镜都需要校正场曲

效果图

ZEMAX中描述

  场曲随视场变化，所以不可以用单一的视场或单一的光斑描述

• 焦点：
  
• 光斑图：
  
• 场曲分析：
  

优化

• 优化视场光阑位置
• 对称结构减小场曲
• 使用匹兹万镜头

畸变

• 分正畸变和负畸变，即枕形畸变与桶形畸变。
  

色差

• 透镜成像时的一种严重缺陷，由于同种材料对不同波长的光有不同的折射率，造成多波长的光束通过透镜后传播方向分离，即色散现象。
• 轴向色差：指不同波长的光束通过透镜后焦点位于沿轴的不同位置，因为形成原因同球差相似，故也称为球色差。由于多色光聚焦后沿轴形成多个焦点，无论把像面置于何处都无法看到清晰的光斑，看到的像点始终是一个色斑或彩色晕圈。
• 垂轴色差：指轴外视场不同波长光束通过透镜聚焦后在像面上高度不相同，即每个波长成像放大率不同，最终看到的像面边缘产生彩虹边缘带。

ZEMAX中描述

• 光扇图：
  

优化

• 通常使用双胶合消色差透镜或三胶合复消色差透镜。
• 根据材料色散特性不同，材料分为冕玻璃K，表示色散能力比较弱；火石玻璃F，表示色散能力比较强。经常使用这两种玻璃组合对色差进行补偿。
    优化时自动选取玻璃进行尝试，找到最佳组合
    对于高精密消色差要求系统，或色差大普通玻璃无法消除，使用衍射的方法可以在镜片较少材料有限的情况下达到较高消色差水平。

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