球面像差 | RP 系列激光分析设计软件

大多数光学透镜都具有球面，因为它们可以最容易地以高光学质量制造。然而，这种表面形状对于成像来说并不理想。镜片的外部部分弯曲得太厉害。当考虑球透镜时，这一点最为明显。图 1 展示了直径为 10 mm、折射率为 1.515的球透镜（N-BK7玻璃，波长为 633 nm）的情况，该透镜用于聚焦平行入射光。外部入射光线比近轴光线更快地穿过光轴。

图1:用球透镜聚焦光。虽然近轴光线具有灰色垂直线所示的焦点位置，但外部光线的折射更强烈。因此，此类镜头在成像时会产生较强的球差。

图2:用球透镜聚焦发散光。

当使用具有球面的透镜进行成像应用时，所解释的效应会导致所谓的球面像差，从而严重降低图像质量。同样，使用球面透镜聚焦或准直，激光束会导致光束畸变。

在许多情况下，像差效应远没有上面所示的球透镜那么严重，因为所涉及的曲率并不那么强。

球面像差的问题可以推广到与相位变化的非理想径向相关性相关的所有像差。当发散或会聚的光穿过平面平行板时，即使对于平面表面也可能发生这种情况。这主要是因为折射包含正弦函数而不是正切函数，这是避免球面像差所必需的。

图3显示了一个示例案例。

图3:当会聚光线穿过平板时，它们不再在一个共同的焦点相遇。

光学系统或光学元件（例如透镜）的球面像差强度通常通过绘制图像焦点纵向位置的偏差作为入射光线横向偏移的函数来量化。通常，人们会交换坐标轴，以便得到的图更接近于水平光轴。上述位置误差可能与横向光束坐标的平方成比例，但在球面像差得到部分补偿的情况下（见下文），该补偿可能适用于特定的水平偏移，但不适用于其他偏移。

球面像差可以用不同的方法减少:

· 最简单的方法是用光学孔径限制入射光的面积。这样，就可以防止球差最严重的外部区域对图像产生影响。然而，这意味着光通量降低。

· 人们可以使用非球面透镜，它改变了表面形状，从而避免了球面像差。

· 人们可以使用球面透镜的组合，其设计可以很好地补偿球面像差。例如，这种方法经常用于摄影目标。

在某种程度上，我们还可以根据所需的配置选择合适类型的镜头来减少球面像差（见图 3）：

· 对于将小光斑成像为相同尺寸的光斑，对称双凸透镜非常适合。然而，最好组合使用两个平凸透镜，且平面位于外侧。

· 对于非对称应用，例如聚焦准直光束或准直强发散光束，平凸透镜可能更合适。最好的解决方案实际上是两侧曲率半径均经过优化的非对称透镜，但平凸透镜通常足够接近。它的定向必须使弯曲表面位于准直光束的一侧。两个透镜表面都有助于聚焦作用。

图4:推荐用于重新聚焦和准直的镜头类型。对称重聚焦的中间情况在像差方面比第一种情况更好，但由于两个额外的光学表面可能具有更高的损耗。

一般来说，应该使用这样的透镜，使得两个表面对聚焦作用的贡献相似。

非球面光学器件改进的光学制造方法的发展导致其使用量的增加，使制造商能够用更少的透镜制造高性能物镜，这也可以提高光通量。但请注意，其他类型的光学像差仍然可能发生。

来源：武汉墨光