波前像差----球差

在光學(xué)系統(tǒng)中，像差是不可避免的存在。作為影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，

像差的存在常常決定了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)劣。在各種像差類型中，球（sphe

rical aberration）由于其普遍性和顯著性，成為光學(xué)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期必須著

重考慮的問題之一。希望通過本篇文章，能夠幫助大家更好地理解球差。

首先，什么是球差

在討論球差之前，我們先從光學(xué)成像的基本原理入手。理想情況下，光線通

過球面透鏡后，應(yīng)當(dāng)精準(zhǔn)地匯聚于一個(gè)點(diǎn)上，形成清晰的像。然而，實(shí)際光

線通過球面透鏡時(shí)，不同高度的光線無法同時(shí)聚焦在同一個(gè)點(diǎn)上，而導(dǎo)致的

焦點(diǎn)位置偏移，這種偏移會(huì)使得成像的光斑擴(kuò)大，降低圖像的清晰度。簡(jiǎn)單

來說，球差是因?yàn)榍蛎嫱哥R對(duì)于光線的折射能力并非均勻一致所導(dǎo)致的，中

心附近的光線和邊緣的光線聚焦位置不一致，形成所謂的“焦點(diǎn)散布"或“

彌散斑"。這種現(xiàn)象叫作球面像差，簡(jiǎn)稱球差；球差與通光孔徑的大小密切

相關(guān)。

球差的控制校正

由于球差是球面產(chǎn)生的，理論上，但凡我們用的是球面，球差就無法避免。

但在實(shí)際的光學(xué)設(shè)計(jì)中，通過合理的設(shè)計(jì)可對(duì)球差進(jìn)行校正，可以有效降低

球差對(duì)成像質(zhì)量的影響。球差的校正本質(zhì)上是為了讓光線在經(jīng)過透鏡不同高

度的入射后，能更接近同一個(gè)焦點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，需要改變光學(xué)產(chǎn)品的

折射特性，使得光路誤差減小，提高光學(xué)系統(tǒng)的性能。

減小球差的方法主要包括以下幾種?：

?加光闌?：通過選擇近軸光束來減小球差。?

?正負(fù)透鏡組合?：使用正負(fù)透鏡組合進(jìn)行校正，可以有效減少球差。

?非球面透鏡?：采用非球面透鏡可以顯著降低球差。

對(duì)于單個(gè)球面透鏡如要保持光焦度不變，可通過改變透鏡的形狀和材料來減

小球差。

總之，球差作為光學(xué)系統(tǒng)像差中最為常見的一種，其本質(zhì)來源于球面透鏡在

折射光線時(shí)，無法保證所有光線在同一點(diǎn)聚焦。通過對(duì)球差的形成、影響研

究，可以看到球差的控制校正是光學(xué)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。值得注意

的是，球差的校正往往不是孤立的，它與其他像差（如色差、像散等）相互

交織，形成復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)問題。

球差的測(cè)量

Lambda-X公司的NIMO光學(xué)分析儀，不僅能夠快速精準(zhǔn)的測(cè)量光學(xué)鏡片的球

差，而且還可以通過zernike polynomials計(jì)算出低階和高階相差，同時(shí)以二

維和三維地形圖的形式更直觀的顯示。

希望通過這篇文章能夠讓大家對(duì)球差有一個(gè)簡(jiǎn)單直觀的認(rèn)識(shí)，并能在設(shè)計(jì)與優(yōu)化

光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，將理論應(yīng)用于實(shí)踐。