2025-10-02 02:05:38

Zemax操作25--像差理论和修正（球差、慧差、像散）

一、球差

概念

轴上物点发出的光束经过球面透镜，透镜不同孔径区域的光束最后汇聚在光轴不同的位置，在像面上形成圆形弥散斑

球面单透镜的球差是不可能消除的

球差在轴上视场产生时，是旋转对称的像差

模拟

入瞳直径50

在面3的厚度设为边缘光线高度，曲率设为F数，输入1.5（f=D/F数，所以焦距为75mm）

打开光线相差图，它描述的是在不同光瞳位置处光线在像上高度与主光线高度差值

标准点列图表示的是不同孔径区域的弥散斑

打开波前图，球差的产生实际是波前相位的移动，即在出瞳参考面与实际球面波前的差异

当实际波前与参考波前产生分离时，光程差不在相等，这样物面同一束光经过实际透镜和理想透镜后，相当于产生了牛顿干涉环，下图为干涉图

定量分析

赛德尔系数可以查看球差定量值，每个面的像差系数，也可以直接用SPHA操作数来查看

校正方法

1.凹凸透镜补偿

凸透镜始终提供正的球差，凹面负球差

2.非球面镜

二次曲面消除球差

把面3的圆锥系数设为变量，优化

二、慧差

概念

球差在轴上视场产生时是旋转对称的像差。慧差就是轴外物点成像产生的像差。

轴外物点（或轴外视场点）所发出的锥形光束经过光学系统成像后，在理想像面不能成完美的像点，而是形成拖着尾巴的如彗星形状的光斑

几何光学即主光线光斑偏离整个视场光斑的中心。由于慧差的存在，外视场聚焦光斑变大，使图像外边缘像素拉伸变得模糊。慧差只存在于外视场，是非旋转对称的像差

优化

打开波前图，慧差的波前面应该是一个倾斜的薄面

我们可以使用COMA对慧差进行优化，可以通过调整视场光阑的方法来减小慧差，即在优化时调整光阑与镜头的相对位置来优化慧差大小

使用对称的光学系统可以十分有效地消除轴外视场的像差，如库克三片物镜、双高斯照相物镜，将光阑置于镜头组中间使光阑两边对称

三、像散

概念

子午和弧矢面几何光线聚焦（光程）不同

轴外物点发出的锥形光束经过光学系统聚焦后，光斑在像面上子午方向和弧矢方向不一致。本质是光程差不同导致两个方向光斑分离形成弥散斑，类似于人眼的散光

物体发出的锥形光束充满整个光瞳面，凡是经过光瞳y轴的所有光束剖面成为子午面，凡是经过光瞳x轴的光束剖面成为弧矢面

打开案例：

打开2d图，在yz平面看到的就是经过光瞳y轴的剖面，即子午面

打开点列图，轴外视场表现出明显的非旋转对称性

我们重点分析第二个视场，打开3d图，只选择第二个视场的子午面

放大焦点，转一圈可以发现像散的不同

分析

使用离焦分析功能可以只管表现像散光斑，打开离焦点列图，设置离焦范围150

打开光线像差图，由于子午和弧矢面几何光线聚焦（光程）不同，发现Px和Py像差大小不等

打开波前图

优化

ASTI操作数可以优化像散

可以通过调节视场光阑位置来减小像散影响，通常光视场光阑远离镜头组像散会减小，最常用的是使用对称结构消除