波前像差----球差

在光學系統中，像差是不可避免的存在。作為影響成像質量的關鍵因素之一，

像差的存在常常決定了一個光學系統的優劣。在各種像差類型中，球（sphe

rical aberration）由于其普遍性和顯著性，成為光學產品在設計初期必須著

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，我們先從光學成像的基本原理入手。理想情況下，光線通

過球面透鏡后，應當精準地匯聚于一個點上，形成清晰的像。然而，實際光

線通過球面透鏡時，不同高度的光線無法同時聚焦在同一個點上，而導致的

焦點位置偏移，這種偏移會使得成像的光斑擴大，降低圖像的清晰度。簡單

來說，球差是因為球面透鏡對于光線的折射能力并非均勻一致所導致的，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“焦點散布"或“

彌散斑"。這種現象叫作球面像差，簡稱球差；球差與通光孔徑的大小密切

相關。

球差的控制校正

由于球差是球面產生的，理論上，但凡我們用的是球面，球差就無法避免。

但在實際的光學設計中，通過合理的設計可對球差進行校正，可以有效降低

球差對成像質量的影響。球差的校正本質上是為了讓光線在經過透鏡不同高

度的入射后，能更接近同一個焦點。為實現這一目的，需要改變光學產品的

折射特性，使得光路誤差減小，提高光學系統的性能。

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。?

?正負透鏡組合?：使用正負透鏡組合進行校正，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。

對于單個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，球差作為光學系統像差中最為常見的一種，其本質來源于球面透鏡在

折射光線時，無法保證所有光線在同一點聚焦。通過對球差的形成、影響研

究，可以看到球差的控制校正是光學設計中一項至關重要的任務。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，形成復雜的光學設計問題。

球差的測量

Lambda-X公司的NIMO光學分析儀，不僅能夠快速精準的測量光學鏡片的球

差，而且還可以通過zernike polynomials計算出低階和高階相差，同時以二

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球差有一個簡單直觀的認識，并能在設計與優化

光學系統時，將理論應用于實踐。