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定义:在光学系统中,由透镜材料的特性、折射或反射表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差。

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。

实际光学系统的成像是不完善的,光线经光学系统各表面传输会形成多种像差,使成像产生模糊、变形等缺陷。像差就是光学系统成像不完善程度的描述。光学系统设计的一项重要工作就是要校正这些像差,使成像质量达到技术要求。像差一般分两大类: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。它可分位置色差和放大率色差两种。单 色像差是指即使在高度单色光时也会产生的像差,按产生的效果,又分成使像模糊和使像变形两类。前一类有球面像差、慧形像差和像散。后一类有像场弯曲和畸 变。

摄影影头因制作不精密,或人为的损害,不能将一点所发出的所有光线聚焦于底片感光膜上的同一位置,使影像变形,或失焦模糊不清。实际的光学系统存在着各种像差。一个物点所成的像是综合各种像差的结果;此外实际光学系统完全可以不调焦在理想像平面处,这时像差(指在这个实像面上的像斑)当然也要变化。在天文上常用光线追迹的点列图来表示实际像差;也可用波像差来表示像差,由 一个物点发出的光波是球面波,经过光学系统后,波面一般就不再是球面的。它与某一个基准点为中心的球面的偏离量,乘以该处介质的折射率值,称为波像差。

单色像差分类

球差

与物高无关而与入射光瞳口径三次方成正比的像差。它使理想像平面中各像点都成为同样大小的圆斑。轴上物点只有球差这一种像差。通过入射光瞳上不同环带的光线,经过光学系统后会聚在光轴上的不同点。这些点与近轴光的像点之差称为轴向球差。

如图:轴上点A发出的某孔径带的光线与近轴光线交于不同点,形成球差。

轴向球差
垂轴球差

当对于某孔径带有时称为对这个孔径带消球差。

存在球差时,在像面上会产生圆形弥散斑

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。

当系统不满足等晕条件时,轴外点存在彗差。

上下光线的交点偏离主光线:子午彗差
前后光线的交点偏离主光线:弧矢彗差

利用这些光线与高斯像面的交点高度来计算,其中前后光线关于子午面对称,它们与理想像面的交点高度必相等

各环带上下、前后光线的会聚点相对于主光线不同,孔径大的偏离大,靠近主光线的偏离小,所以仅有彗差时,将形成彗星状的弥散斑

不同孔径U有不同的彗差,不同视场W有不同的彗差,所以彗差和孔径、视场都有关。

场曲和像散

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。   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。

对于宽光束,轴外主光线和共轴系统的光轴不重合,使出射光束失去对称,产生彗差、像散和像面弯曲;

对于细光束,彗差为零,但像散和像面弯曲仍然存在。

子午细光束像点在主光线上,弧矢细光束像点在主光线和辅轴的交点上,两者之轴向距离为像散。当视场由小变大时,子午细光束像点和弧矢细光束像点会偏离高斯像面。如果把各视场的子午细光束像点或弧矢细光束像点连起来,将会得到弯曲的像面,这就是像面弯曲。

左图是对某具有很大像散和像面弯曲的光学系统的计算结果,表示了不同位置处的轴上点与轴外点单色光弥散斑,第一行是轴上点产生的弥散斑,第二行是轴外点产生的弥散斑,第三行数字表示位置,单位是微米。

计算一条主光线,即可按下式计算并画出像散与像面弯曲曲线

本图形由软件GA画出

曲线中纵轴是视场,横轴是像面弯曲。将子午像面弯曲(用T表示)和弧矢像面弯曲(用S表示)画在一起,即可知道像散,不必另画像散曲线。

想一想:若像散为零,像面弯曲是否存在?

像散为零时,子午细光束像点和弧矢细光束像点重合,但不与高斯像面重合,所以像面弯曲仍然存在,这种像面弯曲叫匹兹凡面弯曲。

畸变

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。

由图可见,当孔阑位置移动,主光线与高斯像面交点高度变化,引起像的变形。

畸变仅是像的变形,不影响像的清晰度。有些光学系统只对清晰度要求高,对变形的要求可以降低。

实际像高比理想像高大,称正畸变,反之称负畸变。根据畸变的正负,等距的同心圆将会变成不同形状的不等距的同心圆,正方网格也会变成枕形或桶形。

可用绝对畸变或相对畸变来度量畸变的大小。

绝对畸变又称线畸变:相对畸变是实际放大率与理想放大率的相对误差:
 

畸变曲线如右图。

本图形由软件GA画出

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:

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。   这是两种最基本的色差,由于波长不同还会引起单色像差的不同,这称为色像差,如色球差、色彗差等。如果物平面处在无穷远,上述物高应换为物点的视角(即它和光轴的夹角)。   像差(aberration)

具体的可以看这里,很好的资源哦:http://jpkc.zju.edu.cn/k/548/course/chp8_1.html