本文將以用圖文并茂的方法、較為通俗易懂的方式講述光學(xué)設(shè)計(jì)中的幾種光學(xué)像差。

像差是什么，像差說白了，就是理想光線與實(shí)際光線之間的偏差。

為什么要矯正像差，因?yàn)橄癫钍怯绊懗上袂逦鹊闹饕?，?dāng)然次要原因就是一些環(huán)境因素了，而光學(xué)設(shè)計(jì)的目的就是通過鏡片的組合來矯正像差。

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球差

初中我們就知道，放大鏡（凸透鏡）可以聚焦，讓光線匯聚去烤螞蟻烤樹葉，但是它會(huì)將光線匯聚成一個(gè)理想的點(diǎn)嗎，顯然是不能的，如下圖所示。

在這種聚焦的時(shí)候，光線不能很好的聚集在一個(gè)點(diǎn)上，我們稱它為球差。下圖為光線到達(dá)像面上的分布形狀，會(huì)呈現(xiàn)明顯的彌散環(huán)，紅色為標(biāo)注。

那這種偏差怎么去消除呢，方法也很簡單，正負(fù)透鏡組合消除球差。因?yàn)檎哥R有負(fù)球差，負(fù)透鏡有正球差。正負(fù)組合，正負(fù)球差就會(huì)抵消，如下圖所示。

明顯看到，聚焦的效果已經(jīng)明顯好了很多，值得注意的是，正透鏡通常為冕牌K玻璃，負(fù)透鏡通常為火石F玻璃。

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慧差

慧差可以理解成有角度的光線進(jìn)入系統(tǒng)后在像面上形成的球差，球差是0°角度進(jìn)入系統(tǒng)的，如下圖所示。

慧差在像面上的分布形狀是一個(gè)有頭有尾的彗星圖案，所以稱它為慧差。

那么慧差怎么去消除呢，其實(shí)，在結(jié)構(gòu)正確、優(yōu)化方法正確的情況下，只要把彌散斑收斂到位，所有的像差都會(huì)隨之矯正的，不然強(qiáng)行用操作數(shù)減小某一個(gè)像差，會(huì)給其他像差造成很大的影響。后續(xù)的文章中會(huì)陸續(xù)提到的。

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像散

如下圖為像散的描述圖（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）

像散有很多人覺得很抽象，不好理解，來打個(gè)比方就知道了。

在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，光線分為水平和垂直，水平的叫弧矢S，垂直的叫子午T，很好記憶，水平弧矢(HUSHI)就是S，垂直子午,T的形狀就是垂直的樣子。（圖中的方向描述可能有出入，以本文為準(zhǔn)）。圖其實(shí)不復(fù)雜，先告訴我那個(gè)地方聚焦最好，橫線？豎線？還是它們之間的那個(gè)圓？答案是都不好，這就是像散。

舉個(gè)例子，你偏理科（橫線），戀人偏文科（豎線）。

你跟戀人講理科，她很難受很煎熬（你理科很強(qiáng)，聚焦是一個(gè)點(diǎn)，但她理科很弱，根本聚焦不起來，最后形狀就成了一個(gè)與橢圓類似的線條）；

同理，你戀人跟你講文科你也懶得理她。

于是你們聽了歌，?如果當(dāng)時(shí)我們能不那么倔強(qiáng)~?，就商量，各退一步，文理雙修（中間的圓），這個(gè)圓的地方，就是像散最小的地方。

像散就是兩門學(xué)科之間的差距，也就是水平弧矢S方向和垂直子午T方向直接的偏差。

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場(chǎng)曲

最難理解的像散已經(jīng)說了，剩下的就很簡單了,場(chǎng)曲如下圖所示。

圖中，各個(gè)角度的光線聚焦比較好的位置連起來，并不是直的像面，而是一個(gè)曲面，這個(gè)東西就是場(chǎng)曲，叫做像場(chǎng)彎曲。場(chǎng)曲的影響就是中心視野像質(zhì)還好，越往畫面外面kao所以在拍攝大型團(tuán)體照的時(shí)候，經(jīng)常為呈現(xiàn)一個(gè)弧形的站位。

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畸變

畸變就很簡單了，比如門上的貓眼，可以看到很廣很廣的范圍，類似于廣角鏡頭，畸變就是像的變形。如下圖所示（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）。

畸變通常在視野角度比較大的時(shí)候有，畸變不會(huì)影響清晰度，只會(huì)導(dǎo)致圖片形狀改變，左圖就是枕型畸變（記憶：ZHEN 正畸變），右圖為桶形畸變（負(fù)畸變）。

------------------------------------------------------------------------------色差

色差也很好理解了，每個(gè)透鏡對(duì)不同波長的光線的折射率是不同的，像我們說的nd，就是透鏡對(duì)d光的折射率。每個(gè)波長的折射率不同，那么每個(gè)波長的光線聚焦的位置自然也不同，這個(gè)東西就是色差。

通常會(huì)聽到軸向色差和垂軸色差，這確實(shí)是兩個(gè)東西，但是沒有必要去糾結(jié)。

首先，色差存在，然后光線匯聚在光軸上面，在光軸上產(chǎn)生的色差就是軸向色差，但是光線最終是打在像面上的呀，在像面上的色差大小就是垂軸色差，糾結(jié)這個(gè)其實(shí)沒有什么意義。

色差的矯正只能依靠材料，哪怕是雙膠合消色差物鏡，消色差的原理仍然是材料，低折射率高阿貝數(shù)的冕牌玻璃和高折射率低阿貝數(shù)的火石玻璃就可以矯正色差，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，一般會(huì)用錘形優(yōu)化來替換玻璃材料，優(yōu)化方法我們后續(xù)講到。

來源：瑞雪紛飛光學(xué)