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實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)在成像時(shí)和理想光學(xué)系統(tǒng)存在很大差異，由物點(diǎn)所發(fā)出的光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后不會(huì)匯聚得到一個(gè)理想的像點(diǎn)，而是一個(gè)彌散斑的大小、形態(tài)等性質(zhì)與系統(tǒng)的像差有關(guān)。對(duì)于單色光而言，存在五種不同的像差：球差、彗差、像散、場曲和畸變，統(tǒng)稱為單色像差。然而，實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)大多是對(duì)白光或者復(fù)色光成像的，由于介質(zhì)對(duì)不同色光的折射率不同，會(huì)導(dǎo)致不同色光成像的位置、大小等均有不同，這種差異被稱為色差。色差分為兩種，分別是位置色差和倍率色差。由于上述幾種像差均是基于幾何光學(xué)討論，故統(tǒng)稱為幾何像差。

球差（Spherical Aberration）

軸上物點(diǎn)發(fā)出的光束通過透鏡時(shí)，由于透鏡中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)饩€的會(huì)聚能力不同，導(dǎo)致不同角度的入射光線在光軸上無法匯聚于同一點(diǎn)，相對(duì)理想像點(diǎn)的位置有所偏離，從而在像面上形成一個(gè)圓形彌散斑。球差是軸上點(diǎn)成像時(shí)唯一存在的單色像差。由于球差的存在，原本應(yīng)該清晰的點(diǎn)光源在像面上變成了一個(gè)彌散的圓斑，會(huì)導(dǎo)致圖像邊緣模糊，細(xì)節(jié)信息丟失。

像散（Astigmatism）

在介紹像散之前，需要先了解子午面和弧矢面的概念。其中子午面是指包含軸外物點(diǎn)、主光線以及光軸所在的平面，弧矢面是指包含軸外物點(diǎn)、主光線且與子午面垂直的平面。

像散是指軸外物點(diǎn)發(fā)出的光束，在通過光學(xué)系統(tǒng)后，其子午像點(diǎn)與弧矢像點(diǎn)不重合的現(xiàn)象。在子午像點(diǎn)的位置，弧矢面光線成線狀（子午焦線）；反之，在弧矢像點(diǎn)的位置，子午面光線成線狀（弧矢焦線）。由于像散的存在，軸外物點(diǎn)成像會(huì)形成一個(gè)橢圓形的光斑，且隨著觀察屏位置的不同，橢圓的形狀也會(huì)發(fā)生變化。

彗差（Coma）

彗差是一種軸外點(diǎn)像差，因?yàn)檩S外物點(diǎn)所成的像如同拖尾的彗星，因此叫做彗差。這是由于軸外物點(diǎn)發(fā)出的光束在像方失去對(duì)稱性，偏向主光線的同一側(cè)，并且在像面處無法聚焦到主光線和像面的交點(diǎn)上所導(dǎo)致的。其中靠近主光線的細(xì)光束形成了亮點(diǎn)，遠(yuǎn)離主光線的不同的寬光束形成了不同的圓環(huán)，且距離主光線像點(diǎn)越遠(yuǎn)，形成的圓斑直徑越大，亮度越低。

彗差可進(jìn)一步分為子午彗差和弧矢彗差，子午面（弧矢面）內(nèi)對(duì)稱于主光線的各對(duì)光線在經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的交點(diǎn)與主光線之間的距離稱為子午彗差（弧矢彗差）。一般子午彗差和弧矢彗差都同時(shí)存在，且弧矢彗差總比子午彗差小，大約等于子午彗差的1/3。

場曲（Fields Curvature）

場曲，即像場彎曲，是指當(dāng)物體通過光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，物體所成的像和理想像面并不重合，發(fā)生偏離的現(xiàn)象。其中由子午像點(diǎn)構(gòu)成的像面稱為子午像面，由弧矢像點(diǎn)構(gòu)成的像面稱為弧矢像面。這些像點(diǎn)并不處于一個(gè)平面內(nèi)，而是形成了一個(gè)對(duì)稱于光軸的旋轉(zhuǎn)曲面，分別對(duì)應(yīng)于子午場曲和弧矢場曲。場曲的存在會(huì)影響整個(gè)像面的清晰度，使得一個(gè)較大的平面物體無法在各點(diǎn)保持清晰：中心部分較為清晰，而邊緣部分則相對(duì)模糊。

畸變（Distortion）

畸變是主光線產(chǎn)生的像差。對(duì)于一個(gè)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)，像的放大率會(huì)隨著視場變化，使得像發(fā)生變形。這種變化使得圖像的形狀不再保持原有的幾何比例，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)扭曲或變形。畸變通常分為正畸變（也稱枕形畸變）和負(fù)畸變（也稱桶形畸變），前者表現(xiàn)為圖像中心向內(nèi)凹，后者則表現(xiàn)為圖像中心向外凸?；儍H由主光線的光路決定，它只改變軸外物點(diǎn)在理想像面的成像位置，但對(duì)像的清晰度并無影響。

色差（Chromatic Aberration）

光學(xué)材料對(duì)不同波長的光線具有不同的折射率，而大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)是對(duì)一定光譜范圍內(nèi)的光成像，因此不同色光的成像位置和大小會(huì)存在差異，產(chǎn)生色差。色差可以進(jìn)一步分為位置色差和倍率色差。

位置色差是由于不同波長的光線在軸上的成像位置差異所導(dǎo)致的，也稱為軸向色差。倍率色差是由于不同波長的光線成像倍率不同所引起的像大小差異，也稱為垂軸色差。色差的存在，會(huì)降低圖像的清晰度和對(duì)比度，甚至還會(huì)使像出現(xiàn)彩色邊緣或者模糊，嚴(yán)重影響成像的準(zhǔn)確度和質(zhì)量。

對(duì)于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)而言，完全消除像差是不可能的，也是沒必要的。一般可以通過將透鏡、光闌等元件組合在一起，通過合理設(shè)計(jì)各元件的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)像差的相互補(bǔ)償。通過將像差控制到某一合理范圍內(nèi)，使得人眼或接收器無法察覺，即可認(rèn)為得到了符合標(biāo)準(zhǔn)的像質(zhì)。這種通過多種元件相互組合的方式在光學(xué)系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，如相機(jī)鏡頭、望遠(yuǎn)鏡等。

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