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如何有效消除光学系统设计中的球差

球面像差是由透镜表面上的球体引起的。从光轴上的相同点发出的光在像场空间中的不同点处通过透镜会聚,从而图像的位置被移动。所有使用非球面镜片的镜头都是不可避免的畸变。它的产生是由轴与镜头角度之间的入射角的差异引起的。

当平行光通过反射镜的边缘(远轴光)时,其焦点位置更靠近透镜;穿过透镜中心(靠近轴光线)的透镜中心远离透镜的焦点(沿着光轴的光量,称为纵向球差)。

由于这种像差,通过透镜边缘的光产生的光点(光晕)形成在通过透镜中心部分的近轴光线的图像周围,这使得人们感觉图像模糊,并且整张图片上覆盖着一层纱布,并成为一张没有鲜明锐利的灰色影像。

当镜头光圈打开或接近全开时,球差最明显,镜头越大,趋势越明显。

在使用透镜时,通过减小光圈可以适当消除球差。

但是,重要的是要注意,如果图像的像差过大,则可以通过减小光圈的像差来移动焦平面(焦点)。

校正球面透镜的球面像差是非常困难的。它通常基于入射光(距离光轴的距离),然后使用凸面和凹面两个透镜来完成适当的组合。但是,只要使用球面透镜,一定程度的球差就不能得到显着的改善。

为了完全消除全尺寸镜头的球面像差,除了使用非球面镜头外,别无选择。非球面透镜的作用是改变透镜表面的曲率以与近轴光线和远轴线的焦点位置一致。

有三种主要的方法可以制作非球面镜片:

1.研磨非球面镜片:直接在整片玻璃上打磨,制造工艺成本相对较高;

2.模制非球面镜片:金属铸造技术用于直接抑制融化的光学玻璃/光学树脂。这种制造工艺成本相对较低;

3.复合非球面镜片:在玻璃镜片表面覆盖一层特殊的光学树脂层,将其研磨成球面,然后将光学树脂研磨成非球面。这个制造过程的成本在上述两个过程之间。

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