光学系统相关概念

球差[1]（Spherical aberration）亦称球面像差。

轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差。

一般是以实际光线在像方与光轴的交点相对于近轴光线与光轴交点（即高斯像点）的轴向距离来度量它。

对于单色光而言，球差是轴上点成像时唯一存在的像差。

轴外点成像时，存在许多种像差，球差只是其中的一种。

除特殊情况外，一般而言，单个球面透镜不能校正球差，正透镜产生负球差，负透镜产生正球差。

对一定位置的物点而言,当保持透镜的孔径和焦距不变时,球差的大小随透镜的形状而异。

因此，以适当形状的正、负透镜组合成的双透镜组或双胶合镜组是可能消球差的一种简单结构。

保持透镜的焦距不变而改变透镜形状，犹如把柔软的物体弯来弯去,故被称为透镜的整体弯曲,它是光学设计时校正像差的一种重要技巧。

彗差
由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系统折射后，若在理想平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的彗星形光斑，则此光学系统的成像误差成为彗差。

彗差属轴外点的单色像差。

轴外物点以大孔径光束成像时，发出的光束通过透镜后，不再相交一点，则一光点的像便会得到一逗点状，型如彗星，故称“彗差”。

慧差示例
像差
实际光学系统中，有非傍轴光线追迹所得的结果和傍轴光线追迹所得的结果不一致，这些与高斯光学（一级近似理论或傍轴光线）的理想状况的偏差，叫做像差。

像差[1]一般分两大类：色像差和单色像差。

色像差简称色差，是由于透镜材料的折射率是波长的函数，由此而产生的像差。

它可分为置色差和放大率色差两种。

单色像差是指即
彗差
与物高一次方、入射光瞳口径二次方成正比的像差。

若仅存在彗差，轴外物点发出的通过入射光瞳不同环带的光线，会在理想像平面上形成半径变化的并且沿视场半径方向偏移的像圈。

它们的组合会使物点的像成为形状同彗星相似的弥散斑。

场曲
像面弯曲
与物高二次方、入射光瞳口径一次方成正比的像差。

若仅存在场曲，则所有物平面上的点都有相应的像点，但分布在一个球面上；若采用弯成此种形状的底片，则可获得处处清晰的像。

此时在理想像平面上，像点呈现为圆斑。

像散
像散
若仅存在像散，则轴外物点的光线通过光学系统后聚焦成两条焦。

在这两条焦线的中点，光束形成最小弥散圆。

若将底片弯成处处都在这样的位置，则可获得处处像点弥散成最小的圆形斑。

此时在理想像平面上，像点呈椭圆斑。

畸变
歪曲像差
仅与物高三次方成正比的像差。

若仅有畸变，得到的像是清晰的，只是像的形状与物不相似。

上述单色像差，仅与物高和入射光瞳口径的幂总共三次方成正比，称为三级像差（又称初级像差），此外还有与物高和入射光瞳口径的幂总共高于三次方的成正比像差，称为高级像差。

3色差
由于透射材料折射率随波长变化，造成物点发出的不同波长的光线通过光学系统后不会聚在一点，而成为有色的弥散斑。

它仅出现于有透射元件的光学系统中。

按照理想像平面上像差的线大小与物高的关系，可区分为：
色差
①位置色差（又称纵向色差）与物高无关的像差，即不同波长的光线经由光学系统后会聚在不同的焦点。

②横向色差（又称倍率色差）与物高一次方成正比的像差。

它使不同波长光线的像高不同，在理想像平面上物点的像成为一条小光谱。

场曲
场曲（Curvature of field）
场曲又称“像场弯曲”。

当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面则是一个曲面。

这样在镜检时不能同时看清整个像面，给观察和照相造成困难。

因此研究用显微镜的物镜一般都是平场物镜，这种物镜已经矫正了场曲。

在一个平坦的影象平面上, 影像的清晰度从中央向外发生变化,聚焦形成弧型, 就叫场曲.
原因是中心离镜头近,周边离镜头远
.一般拍照团体人像,安排成弧型,就是纠正这一缺点
成像不清晰，故产生像散。

沿光轴有一定距离-δx'，把δx'即称为像散。

畸变：指畸形地变化。

畸变对成像的影响
视场
定义：
1. 在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。

如图一。

视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越大。

通俗地说，目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。

2. 在显示系统中，视场角就是显示器边缘与观察点（眼睛）连线的夹角。

例如在图二中，AOB角就是水平视场角，BOC就是垂直视场角。

在实际光学系统中，不仅物面上每一点发出并进入系统参与成像的光束宽度是有限的，而且能够清晰成像的物面大小也是有限的。

把能清晰成像的这个物面范围称为光学系统的物方视场，相应的像面范围称为像方视场，事实上，这个清晰成像的范围也是光学设计者根据仪器性能要求主动地限定的，限定的办法通常是在物面上或在像面上安放一个中间开孔的光
阑。

光阑孔的大小就限定了物面或像面的大小，即限定了光学系统的成像范围。

这个限定成像范围的光阑称为视场光阑。

限制成像范围的光阑称为“视场光阑”。

例如，照相系统中的底片框就是视场光阑。