光学系统设计中如何有效消除球面像差

天空很蓝

   球面像差(sphericalaberration)是由于透镜表面是球面而引起的。由光轴上同一物点发出的光线，通过镜头后，在像场空间上不同的点会聚，从而发生了结像位置的移动。

    对于全部采用球面镜片的镜头而言，这是一种无可避免的像差。它的产生是由于离轴距离不同的光线在镜片表面形成的入射角不同而造成的。

当平行的光线由镜面的边缘(远轴光线)通过时，它的焦点位置比较靠近镜片；而由镜片的中央通过的光线(近轴光线)，它的焦点位置则比较远离镜片(这种沿着光轴的焦点错间开的量，称为纵向球面像差)。

由于这种像差的缘故，就会在通过镜头中心部分的近轴光线所结成的影像周围，形成由通过镜头边缘部分的光线所产生的光斑(Halo，光晕)，使人感到所形成的影象变成模糊不清，画面整体好象蒙上一层纱似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙蒙的影像。这个光斑的半径称为横向球面像差。

球面像差在镜头光圈全开或者接近全开的时候表现最为明显，口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。

在镜头使用上，通过缩小光圈可适当消除球面像差。

但是需要注意的是：如果像差过大，通过缩小光圈消除像差是，可能会引起聚焦平面(就是焦点)的移动。

对于球面镜片的球面像差进行矫正，是件非常困难的事情。通常是以某一个入射距(从光轴起算的距离)的光线为基准，然后使用凸、凹两枚镜片加以适当的组合来完成。但是，只要使用球面镜片，某种程度的球面像差就无法获得很大的改善。

要想彻底消除大口径镜头全开状态的球面像差，除了采用非球面镜片(Aspherical Lens)之外，别无他法。

非球面镜片的作用就是通过修改镜片表面的曲率，让近轴光线与远轴光线所形成的焦点位置重合。

目前主要有三种制造非球面镜片的方法：

1、研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这种制造工艺成本相对较高；

2、模压非球面镜片：采用金属铸模技术将融化的光学玻璃/光学树脂直接压制而成，这种制造工艺成本相对较低；

3、复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两种工艺之间。

由于光线进入广角镜头的入射角比较大，所以球面像差的表现在广角镜头尤为明显。所以在广角镜头上采用非球面镜片来消除像差的有效方法。

下面是一些广角镜头的镜头结构：

通常的非球面镜片是一面为非球面，另外一面是球面。近年来出现了双面非球面镜片，采用这样的镜片，可以使镜头的镜片数减少许多，也可以得到更大倍率的变焦镜头。

转载于微信公众号光学人生