像差分析
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
像差分析的視頻教程
ZEMAX 成像設計線上培訓
培訓大綱 01 OpticStudio 軟件功能介紹; 02 材料庫、鏡頭庫介紹； 03 如何定義新材料； 04 如何使用鏡頭庫； 23 柯勒照明綜合設計實例； 24 投影系統設計 25 集光系統設計； 26 暗盒系統介紹； 05 像差理論介紹； 06 Zemax 里像差分析圖譜； 07 優化; 08 局部優化 27 分析工具應用； 28
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像差分析的實例教程
</span></p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">當使用具有球面的透鏡進行</span>成像<span style="color: rgb(0, 0, 0);">應用時，所解釋的效應會導致所謂的球面像差，從而嚴重降低圖像質量。同樣，使用球面透鏡聚焦或</span>準直，激光束<span style="color: rgb(0, 0, 0);">會導致光束畸變。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">在許多情況下，像差效應遠沒有上面所示的球透鏡那么嚴重，因為所涉及的曲率并不那么強。</span></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong>平板的球面像差</strong></p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">球面像差的問題可以推廣到與相位變化的非理想徑向相關性相關的所有像差。當發散或會聚的光穿過平面平行板時，即使對于平面表面也可能發生這種情況。這主要是因為</span>折射<span style="color: rgb(0, 0, 0);">包含正弦函數而不是正切函數，這是避免球面像差所必需的。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(0, 0, 0);">圖3顯示了一個示例案例。
展開 ? 點列圖(Spot Diagram)：點列圖可以通過分析( Analyze)>像質分析( Image Quality)>光線跡點(Rays & Spots)>標準點列圖(Standard Spot Diagram)打開。點列圖表示點物體所成的像。在沒有像差的情況下，點物體會收斂到一個完美的像點。默認情況下，OpticStudio會繪制的每個視場點列圖。
? 光程差圖(OPD Fan)：光程差圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)> 光程差圖(Optical Path)打開。光程差圖是光程差隨光瞳坐標變化的曲線。在一個理想的光學系統中，波前的光程與出瞳處無像差球面波前的光程相同。
? 光線像差圖(Ray Fan)：OpticStudio中的光線光扇圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)>光線像差圖(Rays Aberration)打開。光線像差圖是光線像差隨光瞳坐標變化的曲線。一般情況下，當一條光線通過光學系統到達成像表面時，它的交點落在離主光線較小但非零的距離上。同樣，在一個完美的光學系統中，任意光瞳位置對應的光線像差上都應該是零。
點列圖(Spot Diagram)、光程差圖(OPD Fan)和光線像差圖(Ray Fan)是透鏡設計者用來確定光學系統中存在的不同類型和不同程度像差的最重要的工具。然而，設計人員根據這些分析功能確定設計中出現的像差的過程超出了本練習的范圍。
基于我們目前所搭建的設計，打開以上的每一個分析窗口來回顧當前鏡頭的性能。
從以上四個圖的評估中可以明顯看出，單透鏡設計有大量的像差，包括但不限于球差、彗差、畸變、離焦、場曲和像散。
展開 點擊分析-像差分析-場曲 / 畸變功能，分別選擇不同的結構，可得到如下圖所示的畸變曲線：
從結構1的畸變曲線可看出，系統內最大畸變為 -21.12%，畸變程度較大。通過文本數據結果也可以查看到 0.5 相對視場高度時（通常為觀測區域），其畸變值為 -5.64%。
從結構 2 的畸變曲線可看出，系統內最大畸變為 -21.17%，畸變程度較大。通過文本數據結果查看到 0.5 相對視場高度時，畸變值為 -5.58%。
而從結構 3 的畸變曲線可看出，系統內最大畸變為 -21.4%，0.5 相對視場高度時，畸變值為 -5.98%。
由于內窺鏡物鏡的總長和體積都比較小，難以在短距離和小口徑鏡片中矯正畸變，三種結構中的畸變值總體上都是可以接受的。
展開 光程差圖
(OPD Fan)
光程差圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)> 光程差圖(Optical Path)打開。光程差圖是光程差隨光瞳坐標變化的曲線。在理想光學系統中，波前的光程與出瞳處無像差球面波前的光程相同。
光線光扇圖
(Ray Fan)
OpticStudio中的光線光扇圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)>光線像差圖(Rays Aberration)打開。光線像差圖是光線像差隨光瞳坐標變化的曲線。一般情況下，當一條光線通過光學系統到達成像表面時，它的交點落在離主光線較小但非零的距離上。同樣，在一個完美的光學系統中，任意光瞳位置對應的光線像差上都應該是零。
點列圖(Spot Diagram)、光程差圖(OPD Fan)和光線光扇圖(Ray Fan)是透鏡設計者用來確定光學系統中存在的不同類型和不同程度像差的最重要的工具。然而，設計人員根據這些分析功能確定設計中出現的像差的過程超出了本練習的范圍。
基于我們目前所搭建的設計，打開以上的每一個分析窗口來回顧當前鏡頭的性能。
從以上四個圖的評估中可以明顯看出，單透鏡設計有大量的像差，包括但不限于球差、彗差、畸變、離焦、場曲和像散。此外，根據下面點列圖底部的數據可以看出，最大視場的GEO半徑和RMS半徑分別為: 1774.42μm和734.581μm。
使用快速聚焦工具
從四個分析功能給出的結果可以看出，單透鏡在此時的性能肯定不是最優的。性能相當差的一個重要因素是像面位置的隨機選擇。從上面的布局圖(Layout)來看，當前選擇的像面并沒有處于“最佳焦點”。
展開 在本案例中，將通過設計一個典型的連續變焦鏡頭光學系統，演示在 VLU 中的光學設計流程，包括初始結構建立、像差分析、評價函數定義，優化以及結果展示。
像差分析的最新內容
全流程仿真支撐，降低研發試錯成本
Zemax OpticStudio提供從系統建模、公差分析、像差評估到算法驗證的一體化仿真環境，無需搭建實物平臺即可完成數千組樣本測試，大幅縮短研發周期，降低硬件投入。
系統性能評價
通過Zemax的像差分析、公差模擬、波前檢測等工具，從5個核心維度驗證系統性能，結果均達到行業先進水平。
1.成像質量：MTF曲線接近衍射極限
調制傳遞函數（MTF）是評價成像清晰度的核心指標，優化后系統在空間頻率1.2周期/mr處，MTF值＞0.4，且曲線下降緩慢。
在整體優化階段，Zemax的多波長像差分析功能發揮關鍵作用——團隊針對486nm、588nm、656nm三個特征波長，同步優化像差，確保全可見光波段的成像穩定性。最終優化結果顯示，系統最大畸變僅22.1%，低于同類型球面鏡系統的23%，場曲控制良好，完全滿足實際應用需求。
3.
在本案例中，將通過設計一個典型的折返式卡塞格林望遠鏡光學系統，演示在 VLU 中的光學設計流程，包括初始結構建立、像差分析、評價函數定義、優化。
案例說明
設計結果
設計結果如下，像質，系統規格、額外系統限制以及加工要求均滿足預期設計目標。
在本案例中，將通過設計一個典型的連續變焦鏡頭光學系統，演示在 VLU 中的光學設計流程，包括初始結構建立、像差分析、評價函數定義，優化以及結果展示。
在本案例中，將通過設計一個典型的連續變焦鏡頭光學系統，演示在 VLU 中的光學設計流程，包括初始結構建立、像差分析、評價函數定義，優化以及結果展示。
案例說明
設計結果
設計結果如下，像質，系統規格、額外系統限制以及加工要求均滿足預期設計目標。
webp&wxfrom=5&wx_lazy=1#imgIndex=8" alt="圖片"></p><p>高性能的仿真與分析能力</p><p>OAS提供了真實的設計功能、精確的分析功能和高性能的產品可視化能力，這些對于MR光學仿真至關重要：</p><p><br></p><p><strong>● 精確模擬：</strong>OAS能夠精確模擬光學系統的性能表現，包括光線追跡的精度、能量分布、像差分析
光線和OPD光扇圖分析
在OpticStudio中，可以通過分析光線像差和光程差的方法來衡量一個光學系統的幾何像差。您可以在分析 (Analyze) 菜單中的像差分析 (Aberrations)中找到這些功能。
打開光線像差圖 (Ray Aberration)，分析窗口中顯示了每個視場和波長下子午方向和弧矢方向的光扇圖。
針對一階光學計算，采用近軸透鏡模型便已足夠；然而，當涉及波前像差分析時，可借助 Zernike 相位系數構建光學系統所產生波前的精確數學模型。
OpticStudio 具備完善的黑盒功能特性，從功能適配性角度而言，建議將其用于當前任務需求。不過，若無法提供 Zemax 黑匣子文件，可參考并執行以下操作流程。
這個示例展示了我們的方法使得將超透鏡整合到光學透鏡系統中成為可能，并提供了對像差分析的全面訪問。
圖21：幻燈片#108
幻燈片 #105–109
接下來，我們設計了一個合適的非球面透鏡并再次進行實驗。對于右旋圓偏振模式，焦點出現在第一個探測器位置。當切換到左旋圓偏振模式時，焦點移動到第二個位置。當輸入光為線性偏振時，輸出中會產生兩種模式，從而形成兩個焦點。
