光学像差理论

Posted 2020-12-23 ybqjymy

整篇文章一个公式都不写了，我们就只看图说话吧~

 

什么是像差？

实际光学系统与理想光学系统之间存在很大的差异，即物空间的一个物点发出的光经实际光学系统后，不再成一理想像点，而是一个弥散斑，两者之间的差异称为像差。

打个比方：

在实际光通信系统中，完全消除码间串扰和噪声是十分困难的，但是从眼图上可以观察出其影响，体现数字信号整体的特征，进而估计系统优劣程度，眼图分析就好比像差理论。

眼图分析是光通信系统信号完整性分析的核心，而像差理论则是光学系统成像质量分析的核心。

 

像差分为两大类：几何光学像差和物理光学像差。

 

为什么像差要分几何光学像差和物理光学像差呢？

 

因为光有波粒二象性。

 

怎么解释光的波粒二象性呢？

 

好比一个人爬山，远看呢，他是直线方式往上爬，这种直线方式就是光的粒子性，所有才有了高中物理中的“光是沿着直线传播”的理论；

 

近看呢，他是曲线方式往上爬，这种曲线方式就是光的波动性，所有才有了光的衍射现象；

所以，研究光的粒子性，就有了几何光学；研究光的波动性，就有了物理光学，对应的，像差也分几何光学像差和物理光学像差。

 

波粒二象性，看似对立，实则统一，就像曲线也是直线，直线就是曲线，怎么理解呢？微积分的思路就是曲线是由无数小的直线组成的，而直线则是曲率半径无穷大的直线。

 

再打个比方，水是此起彼伏震荡着前行的，从这个角度看，水是波动的，而常言“一江春水向东流”，这个宏观角度看，水的流动又是直线的，最终汇入大海。

 

这个道理跟《周易》所讲的“无平不坡”是一个意思，正所谓道法自然，很多看似高深的科学现象，用大自然的规律类比，很容易就能理解了。

 

言归正传，评判几何光学像差和物理光学像差都有那些指标呢？分别怎么理解呢？

 

几何光学像差主要有七种

物理光学像差：波象差(实际波面与理想球面波的偏差)。

 

几何光学像差（将光分解为一根根的直线，计算各直线之间的关系来度量像差）

 

1.球差：

由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能交于主轴上的同一位置，以致在主轴上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊圈），则此光学系统的成像误差称为球差。

2.慧差：由位于主轴外的某一轴外物点，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。

 3.场曲：最佳像面为一曲面。

 4.像散：沿着光轴方向，相互垂直的两个方向成像的像点的距离；

5.畸变：成像变形，源于边缘各光线成像高度不同。

6.&7.色差：由白色物点向光学系统发出一束白光，经该光学系列折射后，组成该束白光的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色光，不能会聚于同一点，即白色物点不能结成白色像点，而结成一彩色像斑的成像误差，称为色差；

波像差：

实际波面对理想波面的偏离（将光的传播看成一个整体移动的光波即波动性，用两个波面的光程差来定义）；

瑞利判断认为，当光学系统的最大波像差小于¼波长时，其成像是完善的。