波前像差----球差

在光学系统中，像差是不可避免的存在。作为影响成像质量的关键因素之一，

像差的存在常常决定了一个光学系统的优劣。在各种像差类型中，球（sphe

rical aberration）由于其普遍性和显著性，成为光学产品在设计初期必须着

重考虑的问题之一。希望通过本篇文章，能够帮助大家更好地理解球差。

首先，什么是球差

在讨论球差之前，我们先从光学成像的基本原理入手。理想情况下，光线通

过球面透镜后，应当精准地汇聚于一个点上，形成清晰的像。然而，实际光

线通过球面透镜时，不同高度的光线无法同时聚焦在同一个点上，而导致的

焦点位置偏移，这种偏移会使得成像的光斑扩大，降低图像的清晰度。简单

来说，球差是因为球面透镜对于光线的折射能力并非均匀一致所导致的，中

心附近的光线和边缘的光线聚焦位置不一致，形成所谓的“焦点散布"或“

弥散斑"。这种现象叫作球面像差，简称球差；球差与通光孔径的大小密切

相关。

球差的控制校正

由于球差是球面产生的，理论上，但凡我们用的是球面，球差就无法避免。

但在实际的光学设计中，通过合理的设计可对球差进行校正，可以有效降低

球差对成像质量的影响。球差的校正本质上是为了让光线在经过透镜不同高

度的入射后，能更接近同一个焦点。为实现这一目的，需要改变光学产品的

折射特性，使得光路误差减小，提高光学系统的性能。

减小球差的方法主要包括以下几种?：

?加光阑?：通过选择近轴光束来减小球差。?

?正负透镜组合?：使用正负透镜组合进行校正，可以有效减少球差。

?非球面透镜?：采用非球面透镜可以显著降低球差。

对于单个球面透镜如要保持光焦度不变，可通过改变透镜的形状和材料来减

小球差。

总之，球差作为光学系统像差中最为常见的一种，其本质来源于球面透镜在

折射光线时，无法保证所有光线在同一点聚焦。通过对球差的形成、影响研

究，可以看到球差的控制校正是光学设计中一项至关重要的任务。值得注意

的是，球差的校正往往不是孤立的，它与其他像差（如色差、像散等）相互

交织，形成复杂的光学设计问题。

球差的测量

Lambda-X公司的NIMO光学分析仪，不仅能够快速精准的测量光学镜片的球

差，而且还可以通过zernike polynomials计算出低阶和高阶相差，同时以二

维和三维地形图的形式更直观的显示。

希望通过这篇文章能够让大家对球差有一个简单直观的认识，并能在设计与优化

光学系统时，将理论应用于实践。