像差

像差的种类(Aberration)
物体通过光学系统后其成像不能准确无误地再现物体原形的现象叫做像差。

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧高级像差
波像差倍率色差位置色差色差畸变场曲像散彗差球差单色像差几何像差初级像差像差 1、球差：当沿着光轴的平行入射光不能完全聚焦时，我们称为「球面像差」。

透镜的球面像差
反射镜的球面像差
2、彗差：倾斜于光轴的平行入射光无法完全聚焦的情况，我们称为「彗星像差」。

原来一个黑点拍成相片后变成一个类似彗星拖著尾巴的成像,称之为彗星像差
3、像散（Astigmatism）：因为物体经由透镜成像时，常会发生X轴与Y轴的聚焦点不一致。

4、场曲：即使光学系统能完美地聚焦，但是却常发生它们的聚焦平面与我们希望的成像平面不一致。

因此透镜会有挠度（bending）的设计。

5、畸变：基本上变形的发生不能看似完全的像差。

它并不是因为影像的聚焦不良所致，相反的它是清晰的成像，但是却发生与原来的物体的外型不一致。

6、色差：若是不同的颜色光线有不同的聚焦点，我们称为「色像差」。

通常红色光的焦距比蓝光大一些。

7、波像差：从物点发出的波面经理想光学系统后，其出射波面应该是球面。

但实际光学系统存在像差，实际波面与理想面就有了偏差。

当实际波面与理想波面在出瞳处相切时，两波面间的光程差就是波像差。

像差的种类为了方便说明像差的成因，我们仅以平行的入射光来探讨他们在几何光学上的差异。

其实天文观测的目标都是遥远的星体，基本上也符合平行光的假设。

球面像差（对称的像差）：当沿着光轴的平行入射光不能完全聚焦时，我们称为「球面像差」。

透镜的球面像差反射镜的球面像差彗形像差（不对称的像差）：倾斜于光轴的平行入射光无法完全聚焦的情况，我们称为「彗形像差」。

色像差：若是不同的颜色光线有不同的聚焦点，我们称为「色像差」。

通常红色光的焦距比蓝光大一些。

弯曲的像场：即使光学系统能完美地聚焦，但是却常发生它们的聚焦平面与我们希望的成像平面不一致。

因此透镜会有bending的设计。

Astigmatism：因为物体经由透镜成像时，常会发生X轴与Y轴的聚焦点不一致。

变形：基本上变形的发生不能看似完全的像差。

它并不是因为影像的聚焦不良所致，相反的它是清晰的成像，但是却发生与原来的物体的外型不一致。

最完美的成像：抛物面镜数学上的定义： y2＝ 4 F．x F：镜面焦距长度镜面特色：平行光轴的入射光线可以完美聚焦于焦点。

同时因为是反射面成像，所以没有任何色像差。

若是采用抛物面来作为天文望远镜的主镜是一个非常好的选择。

不但能兼顾光学系统的重量与成像品质。

很可惜的，若是非平行的入射光沿着主轴进来，会有对称的「球面像差」。

若是平行入射光倾斜于主轴，会有不对称的「彗形像差」产生。

因此抛物面镜最适合于长焦距的天文望远镜，而不适合于地面景物的观测。

不过抛物面的镜面不易制造，必须藉由许多球面镜的研磨方式逐渐逼近抛物面的曲度，因此价格自然也较为高昂。

以一个口径8吋、 F/4镜面而言，中间的镜面与球面镜差距其实是非常微小的，只有数个波长之差。

虽然这只是微小的差别，却可以改善影像的品质甚多。

为了获得高精度的抛物面，必须透过多次球面研磨。

由于抛物面镜是经过多次球面镜的研磨而成，因此抛物面镜可以看成是多个球面镜所构成。

利用这个光学特性，可以成为检测抛物面镜的一个简易的方法，我们称为「刀口测试」。

7种常见像差的原因像差是指光学系统在成像过程中产生的图像质量不理想的现象。

下面将介绍光学系统中常见的7种像差原因，包括球差、散光、像散、像场弯曲、畸变、色差和像间干涉。

1. 球差：球差是由于光线通过球面透镜时，不同入射位置的光线会聚或发散到不同焦点位置而导致的像差。

球差的主要表现是像点失焦，即中央和边缘部分的图像清晰度不同。

球差可以通过使用非球面透镜或复合透镜进行校正。

2. 散光：散光是由于透镜的曲率在不同方向上不同而引起的像差。

散光使得图像的焦点在不同的平面上，导致成像模糊。

散光可以通过使用散光校正透镜或非球面透镜进行校正。

3. 像散：像散是由于透镜的不同色散特性引起的像差。

不同波长的光线通过透镜后，会聚到不同的焦点位置，导致不同颜色的图像产生色差。

像散可以通过使用折射率不同的材料组合或使用色散补偿透镜进行校正。

4. 像场弯曲：像场弯曲是指光线通过透镜时，不同位置的像点距离透镜中心的距离不一致，导致图像的形状在不同位置有畸变。

像场弯曲可以通过使用非球面透镜进行校正。

5. 畸变：畸变是由于透镜的形状或光线的折射发生变化而引起的像差。

畸变可以分为桶形畸变和垫形畸变。

桶形畸变使得图像中心位置变窄，而边缘位置扩展；垫形畸变使得图像中心位置扩展，而边缘位置收缩。

畸变可以通过使用非球面透镜或使用畸变校正透镜进行校正。

6. 色差：色差是由于不同波长的光线通过透镜后，折射程度不一样而产生的像差。

常见的色差有色焦差和色散，色焦差是指不同颜色的光线聚焦位置不同，色散是指不同颜色的光线折射程度不同。

色差可以通过使用折射率不同的材料组合或使用色差补偿透镜进行校正。

7. 像间干涉：当光线经过光学系统中的多个透镜或镜面反射时，光线的相位差会导致干涉现象。

这种干涉现象会产生亮度变化或干涉条纹等干扰图像质量的现象。

像间干涉可以通过设计光学系统的结构，如透镜组的距离和角度等参数进行校正。

以上是光学系统中常见的7种像差原因的介绍。

光学系统成像的像差的描述在光学系统中，成像的品质受到多种因素的影响，其中最主要的因素之一就是像差。

像差是指光学系统由于各种原因导致成像结果与理想成像结果的差异。

在实际应用中，我们需要尽可能减小像差，以获得清晰、准确的成像。

1.球差球差是由于光线通过透镜时，不同离轴位置的光线聚焦点与光轴上的光线聚焦点不一致而产生的像差。

球面透镜会使离轴光线聚焦于球心之前或之后，从而导致像差。

为了减小球差，可以采用非球面透镜或者多个球面透镜组合的方法。

2.色差色差是指不同波长的光线通过透镜后，其聚焦点位置不同所引起的像差。

由于光线的折射率随着波长的不同而变化，所以不同波长的光线在经过透镜后会有不同的折射效果，从而导致色差。

为了减小色差，可以采用消色差透镜、复合透镜等方法。

3.像散像散是指透镜或者光学系统在聚焦光线时，不同位置的光线聚焦点不在同一平面上而产生的像差。

像散分为径向像散和切向像散两种。

径向像散是指光轴上的光线与离轴光线在像平面上的聚焦点不一致，而切向像散则是指光轴上的光线与离轴光线在像平面上的聚焦点不在同一条直线上。

为了减小像散，可以采用适当的光学元件，如棱镜等。

4.畸变畸变是指光学系统在成像过程中，使得直线或者平面失真的现象。

畸变分为径向畸变和切向畸变两种。

径向畸变是指光线通过光学系统后，离轴的像点与光轴上的像点之间的距离不一致，而切向畸变则是指光线通过光学系统后，离轴的像点与光轴上的像点之间的位置关系不一致。

为了减小畸变，可以采用非球面透镜或者适当的校正方法。

5.散焦深度散焦深度是指光学系统在成像过程中，能够保持清晰成像的距离范围。

当物体与透镜或者光学系统的距离超出散焦深度时，成像会变得模糊不清。

散焦深度受到孔径大小和焦距的影响。

为了增加散焦深度，可以使用小孔径和长焦距的透镜。

光学系统成像的像差是由于光线经过透镜或者光学系统时，由于各种因素导致成像结果与理想成像结果的差异。

常见的像差包括球差、色差、像散、畸变和散焦深度等。

像差
考虑到物距和像距的透镜相当大，或者物体离轴较远时，简单单透镜的像差是相当严重的。

当一个简单透镜不能成理想像时，就需要用一个透镜组，比如相机镜头，它的像差在很大程度上得以校正了。

为了一些特殊的要求，还可以设计制造一些特殊的透镜。

球形表面的透镜组会产生球差。

如果物点远离透镜光轴或垂直于光轴，所成的像就会产生其他像差，比如像散、彗差、畸变和场曲。

此外，透镜折射率是波长的函数，所以它的焦距随着波长慢慢变化，这种像差称为色差。

在沿轴方向和垂轴方向都能产生球差，而且并不依赖离轴距离。

像散的产生是因为一束离轴光线不对称的入射到透镜。

这种不对称造成了一对短线像的产生：一束在焦平面的后方，一束在前方。

彗差产生了一个彗星状的像：彗星头部是近轴像点，像差以尾巴的形式显示出来。

尾部一点到光轴的距离比它的宽度的三倍还大。

从近轴像点到彗星尾部是彗星像的长度，同时增加了透镜直径的平方和像点到透镜光轴距离的比值。

即使其它的像差不存在，透镜成的像也不是一个平面，而是在一个弯曲的面上。

这种像差叫做场曲。

如果垂轴放大率是一个像点到光轴的距离的函数，成像将不再是直线性的。

这种像差称为畸变。

通过调整透镜组元的曲率半径可以减少像差，例如减小入射角，这个过程有时叫做弯曲透镜。

然而，像散很少受到弯曲透镜组元的影响。

类似的，一个像差有时能够被另一个平衡。

例如，球差能够通过将像面从近轴像面移到束腰，从而得到部分补偿，也就是说，通过散焦补偿球差。

同样的，彗差、畸变和像散都能通过调整光阑孔径在光轴上的位置来减少。