光学系统的象差

象差：试剂光学系统所成的象和近轴光学系统所成德象的差异。

光学系统对单色光成象时产生单色象差，分为五类：球面象差（球差），慧形象差（慧差），象散差（象散），象面弯曲（场曲），畸变。

对白光成象时，光学系统除对白光中的各单色光成分有单色象差外，还产生两种色差：轴向色差和垂轴色差（亦称倍率色差）。

球差使得影像中心成柔焦状，没有最清晰点出现；慧差使得影像周围成柔焦状，没有最清晰点出现；像散使得影像周围径向和切向焦点分离，不能同时和焦；像面弯曲使得影像叫平面呈弯曲状，使得中心和边缘不能同时和焦；畸变使得影像变形，周围直线变成曲线；置色差使得影像中心光点变成色环；倍率色差使得影像景物边缘轮廓带有色边；渐晕使得影像中心亮度高与边缘；杂光使得影像减低反差和饱和度，逆光容易产生灰雾和幻影。

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。

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。

1、单正透镜在后时，需要为了减少给前续系统校正球差带来的困难，因此一般需要将折射率选择片大一些，增大折射率对于校正系统高级球差是很有效的方法之一；
2、在胶合镜组的胶合马面两边，需要考虑选择折射率和阿贝数差别较大的玻璃对，在消色差的同时，正负球差也能够尽量减少，并且有可能产生剩球差平衡其他镜组的球差；
3、在某些镜组（例如单片）曲率太小，承担的光焦度较多。

曲率太小的不利结果是：引起大量高级球差和其他高级像差。

可以考虑采用两个透镜分担其光焦度，这样增大了球面半径，减少了许多的高级球差。

4、适当的采用负透镜。

如果系统中正透镜太多，那么造成的球差和场曲、畸变无法消除，在最后增加一块负透镜会起到很好的校正效果。

当然这些手段有可能造成其他像差的增加，因此这些方法需要适当的因地制宜的采用。

慧差
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”。

慧差是垂轴象差，慧差与光阑位置有关，当光阑无限小是可以消除慧差。

把两个弯月型透镜凹面相对，并在中间设置关阑，当物象倍率为-1时，从光阑所在空间来看，透镜L1的上、下光线分别与透镜L2下、上光线相同，因而两透镜产生相反符号的慧差值，可以完全相消。

场曲法，胶合透镜，光阑可以用来减小慧差。

象散
象散也是一种轴外象差，与彗差不同，它是描述无限细光束成像缺陷的一种像差，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的会聚点与弧矢细光束的会聚点各处于不同的位置，与这种现象相应的像差，称为象散。

子午细光束的会聚点与孤矢细光束的会聚点之间距离在光轴上的投影大小，就是象散的数值。

由于象散的存在，使得轴外视场的象质显著下降，即使光圈开得很小，在子午和弧矢方向均无法同时获得非常清晰的影象。

象散的大小仅与视场角有关，而与孔径大小无关。

因此，在广角镜头中象散就比较明显，在拍摄时应尽量使被摄体处于画面的中心。

即使光束为无限细，没有慧差，仍会有象散存在。

场曲法和复杂的透镜组合可以减小象散。

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。

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。

球面光学系统存在象面弯曲时球面本身所决定的，如果没有象散，即子午象面和弧矢象面重合在一起，仍会存在象面弯曲。

可通过场曲法和在适当位置安装光阑来改善。

畸变
轴外点的宽光束，细光束都有象差存在，即使只有主光线通过的光学系统，由于球差的影响也不能和第二近轴光相一致。

因此，主光线和高斯象面交点的高度不等于理想象高，其差别就是系统的畸变。

色差
色差又称色像差，是透镜成像的一个严重缺陷，色差简单来说就是颜色的差别，发生在多色光光源的情况下，单色光不产生色差。

可见光的波长范围大约400至700纳米，不同波长的光，颜色各不相同。

在通过透镜时的折射率也不同。

这样物方一个点，在像方则可能形成一个色斑。

色差一般有位置色差，放大率色差。

位置色差使像在任何位置观察，都带有色斑或晕环，使像模糊不清。

而放大率色差使像带有彩色边缘。

光学系统最主要的功能就是消色差。

在光焦度一定时，玻璃的阿贝常数愈大，色差愈小；通常情况下，正透镜产生负色差，负透镜产生正色差。

因此，消色差的光学系统通常都是由正负透镜组成，以使它们的色差互相补偿。

球面像差－－轴上物点以大孔径成像时形成－－采用配合不同曲面胶合透镜进行消除；
彗星相差－－旁轴物点以宽光束成像时形成－－采用配合不同曲面胶合透镜进行消除；
像散和场曲－－物点理光轴较远、光束较倾斜引起的－－采用放置光阑进行消除；
畸变－－光束倾斜度较大引起－－采用放置光阑进行消除；
色差－－色散引起的－－凹凸透镜粘合进行消除
1。

球差：由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊圈），则此光学系统的成像误差称为球差。

球差、慧差所引起的成像模糊现象称为光晕。

2。

慧差：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，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。

3。

像散：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。

由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑。

当前后移动像平面至某一位置（弧矢像面）时，弥散光斑变成垂直于光学系统弧矢面的短线s。

当前后移动像平面至另一位置（子午像面）时，弥散光斑又变成垂直于光学系统子午面的短线t。

在子午像面和弧矢像面之间可以找到一弥散光斑最小的成像平面，而在其余位置只能得到一介椭圆形弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。

像散的大小由子午焦线t与弧矢焦线s之间的距离表示。

子午像面：轴外物点的主光线与光学系统主轴所构成的平面，称为光学系统成像的子午面。

位于子午面内的那部分光线，统称为子午光束。

子午光束所结成的影像，称为子午像点t。

子午像点所在的像平面，称为子午像面。

弧矢像面：过轴外物点的主光线，并与子午面垂直的平面，称为光学系统成像的弧矢面。

位于弧矢面内的那部分光线，统称为弧矢光束。

弧矢光束所结成的影像，称为弧矢像点s。

弧矢像点所在的像平面，称为弧矢像面。

4。

场曲：垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲。

当调焦至画面中央处的影像清晰时，画面四周的影像模糊；而当调焦至画面四周处的影像清晰时，画面中央处的影像又开始模糊。

5。

畸变：被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。

畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。

这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。

6。

色差：由白色物点向光学系统发出一束白光，经该光学系列折射后，组成该束白光的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色光，不能会聚于同一点，即白色物点不能结成白色像点，而结成一彩色像斑的成像误差，称为色差。