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光学系统设计中如何有效地消除球面像差

球面像差是由透镜表面的球体引起的。从光轴上的同一点发射的光在像场空间的不同点通过透镜会聚,从而移动图像的位置。对于所有使用球面透镜的透镜来说,这是不可避免的像差。它的产生是由轴和透镜角度之间的入射角的差异引起的。

平行光通过镜边(远轴光)时,其焦点位置更靠近透镜;穿过透镜中心(靠近轴光)的透镜中心远离透镜焦点(沿光轴的光量,称为纵向球差)。

由于这种像差,通过透镜边缘的光线产生的光斑(光晕)在通过透镜中心部分的近轴光线的图像周围形成,使人感觉图像模糊,整个画面被一层薄纱覆盖,变成一个灰色的图像没有新鲜的清晰度。

当镜头光圈打开或接近全开时,球差最为明显,且镜头越大,球差趋势越明显。在使用

透镜时,可以通过缩小光圈适当消除球面像差。

然而,需要注意的是,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)。

球面透镜的球差很难校正。它通常是根据一个入口的光线(离光轴的距离),然后用凸凹两个透镜来完成适当的组合。但是,只要使用球面透镜,一定程度的球面像差就不能得到明显改善。

为了彻底消除全尺寸透镜的球差,除了使用非球面透镜外别无选择。非球面透镜的作用是改变透镜表面的曲率,使其与近轴光和远轴光的焦点位置一致。

制作非球面镜片的方法主要有三种:

1.磨削非球面镜片:直接在整片玻璃上磨削,制造过程成本相对较高;

2.模制非球面透镜:采用金属铸造技术直接压制熔化的光学玻璃/光学树脂。这种制造工艺成本相对较低;

3.复合非球面透镜:在玻璃透镜表面覆盖一层特殊的光学树脂,将其研磨成球面,再将光学树脂研磨成非球面。这种制造工艺的成本介于上述两种工艺之间。

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