像差

像差：球差，慧差，像散，场曲，畸变。理想的成像与光学系统的实际成像之间的差异。

1.球差：平行于主轴的光线，经过凸透镜发生折射后，边缘与中心部分的折射光线在透镜光轴上不能会聚相交在一点。离主轴近的光线会聚后离透镜远，离主轴远的光线会聚后离透镜近。（轴上的物点发出的光线入射进透镜时，数值孔径越大的光线，其折射越强，与光轴相交时偏离理想成像的位置也就越大）

2.慧差：又叫侧面球差，它是由于与主轴不平行的光线通过透镜折射会聚所形成的一种像差。产生原因：主要是由于透镜边缘一带的光线与透镜主轴一带的光线所会聚的焦点位置和影像大小有差别。影像一端宽大虚散而较暗，另一端则窄小清晰而较亮，如同拖带尾巴的彗星一样。用缩小光圈的办法可在一定程度上减小因彗形象差所引起的缺陷。

3.像散：凡是由侧面射来的光线，通过透镜折射后，在底片边缘部分不能同时呈现出横竖线条都清晰的影像而产生像散。所以像散也叫纵横像差。（检查摄影镜头是否有像散现象，只需将镜头对着十字交叉线条来调焦即可）

4.场曲：当垂直于主轴的平面物体经镜头成像时，如果在底片的平面上不能使中心部分和边缘部分的影像都清晰，只能在一个球面上达到影像清晰的效果，这种像差就是像场弯曲。（产生原因：是由球面形状的镜头表面和平坦的胶片表面存在不平行的对照所引起的。由通过镜头轴心的光线所产生的）。

5.畸变：由于透镜对同一物体不同部分有不同的放大率，因而使影像产生变形扭曲的现象，越是边缘的部分就越明显，这种像差就叫畸变。（畸变现象有两种不同的表现形式：当边缘部分的放大率大于中心部分的放大率时，影像的直线将向中心凹进弯曲，称作枕形畸变，又叫正畸变；当边缘部分的放大率小于中心部分的放大率时，影像的直线将向四周突出弯曲，称作桶形畸变，又叫负畸变。

色差：轴向色差，倍率色差。具有各种颜色的平面物体所反射的光线，通过透镜后不能同时聚焦在胶片平面上形成清晰的影像，这中成像差别就是色差现象。产生色差的原因，是因为不同颜色的光线的波长不同。不同波长的色光在通过透镜时有不同的折射率，所以它们不能在一个平面上形成焦点。

像差专题初级像差深入

1，近轴光线和远轴光线的概念。

近轴光线和远轴光线都是指与光轴平行的光线，它们都成像在光轴上（下图中画的是主光轴情况）。缩小的光圈可以拦去远轴光线，而由近轴光线来成像。

总的来说，镜头的像差可以分成两大类，即单色像差及色差。

镜头的单色像差五种，它们分别是影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似度的畸变。

以下就分别介绍五种不同性质的单色像差。

球差是由于镜头的透镜球面上各点的聚光能力不同而引起的。从无穷远处来的平行光线在理论上应该会聚在焦点上。但是由于近轴光线与远轴光线的会聚点并不一致，会聚光线并不是形成一个点，而是一个以光轴为中心对称的弥散圆，这种像差就称为球差。球差的存在引起了成像的模糊，而从下图可以看出，这种模糊是与光圈的大小有关的。

小光圈时，由于光阑挡去了远轴光线，弥散圆的直径就小，图像就会清晰。大光圈时弥散圆直径就大，图像就会比较模糊。

必须注意，这种由球差引起的图像模糊与景深中的模糊完全是两会事，不可以混为一谈的。球差可以通过复合透镜或者非球面镜等办法在最大限度下消除的。在照相镜头中，光圈数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。我们在拍摄时，只要光线条件允许，可以考虑使用较小的光圈来减小球差的影响。

彗差是在轴外成像时产生的一种像差。从光轴外的某一点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在像平面上并不是成一个点的像，而是形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状象彗星，从中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴，首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。这种轴外光束引起的像差就称为彗差。彗差的大小既与光圈有关，也与视场有关。我们在拍摄时也可以采取适当采用较小的光圈来减少彗差对成象的影响。

像散也是一种轴外像差。与彗差不同，像散仅仅与视场有关。由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束（即镜头的直径方向）的会聚点与弧矢细光束（镜头的园弧方向）的会聚点位置不同，这种现象称为象散。像散可以对照眼睛的散光来理解。带有散光的眼睛，实际上是在两个方向上的晶状体曲率不一致，造成看到的点弥散成了一条短线。

像差的概念

像差（全称色像差，aberration）是指实际光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学（一级近似理论或近轴光线）的理想状况的偏差。像差主要分为球差、彗差、场曲、像散、畸变、色差以及波像差。具体定义如下：

1. 球差是指轴上点光源发出的光线经屈光系统后，近轴光线与边缘光线像点之间的距离。存在球差的光学系统所形成的像是对称的弥散圆。

2. 彗差是指轴外点光源发出的光线经屈光系统后，上光线和下光线的交点离开主光线的距离。

3. 像散是子午面上的像点和弧矢面上的像点的距离。

4. 位置色差即轴位色差，白光中不同波长的光线经光学系统后形成像点的距离，短波长的交点近于长波长的交点。

5. 倍率色差某一物体经光学系统成像后不同波长的光线在物像大小上的差异。

此外，从物理光学的角度来看，像差被定义为点光源发出的球面波经光学系统后形成的波形与理想球面波之间的距离，被称之为波前像差或波阵面像差。

1 / 3

1．轴上球差LONA和SPHA

LONA表示的是轴上物点指定波长,指定光束尺寸光线对的轴上成像交点到近轴焦平面之间轴向距离。这个定义和我们定义的轴向球差相同。光瞳尺寸（光束尺寸）在0~1之间,那么将追迹实际的光束汇交点计算轴向球差。

SPHA常用于指定面产生的像差数值。若不指定特殊面取值为,则计算所有

面产生球差总和。注意这个总和不是像差计算公式中的经过各面逐个放大之后的加权和,而是代数和。

经验：

当选择LONA控制不住球差时,同时加入操作数SPHA,设置合理的权重,可以将轴向球差进一步改善。

2.轴向色差AXCL

定义为两个指定波长的近轴焦平面轴向距离。若光瞳尺寸光束尺寸定义为0,那么使用近轴焦平面进行色差计算,定义不为0,则使用实际的光线与轴交点位置进

行色差计算。

3.垂轴色差(倍率色差)

在ZEMAX中没有直接定义垂轴色差的操作数,但是从垂轴色差的定义可以知道,它是指某视场、某指定光束尺寸的、两指定波长光束在像面上所成的理想像的垂向距离差。

在ZEMAX中有REAY(wav,Hy,Py)操作数。其定义为指定波长、指定视场、指定光束尺寸光在理想象面上的实际高度。

那么在同一视场选择两个不同波长的光束,其操作数数值之差就表明了理想像面上的垂轴色差大小。

oprand #1REAY(wav=1,Hy=a,Py=b);

2 / 3

oprand #2REAY(wav=2,Hy=a,Py=b);

DIFF(oprand #1,oprand #2)

DIFF操作数指两个操作数结果的差值。

4.彗差

彗差描述的是某视场、某尺寸的光线对对主光线的偏离情况,即描述光束失对称的情况。

光线对彗差与视场和孔径均有关系,是两者的函数,因此全面描述系统的彗差情况需要选择若干个不同视场和不同孔径。

在ZEMAX中提供了一个操作数TRAY。TRAY定义为在像平面上,光线与像面交点到主光线的垂轴距离。