像差

在光学中，像差或像差被理解为通过光学系统（例如照片或望远镜镜头或目镜）与理想光学图像的偏差，这会导致图像模糊或扭曲。

像差可以在几何光学的框架内捕捉到。 它检查了从某个物点发出的一束光线在穿过系统后的行为。 在理想情况下，光线再次相交于一点。 由于像差，反而只有或多或少狭窄的光束收缩，它也可能位于错误的位置（在畸变或场曲的情况下）。

单透镜或镜子的简单系统的像差通常高得无法接受，这样的系统只对照明有用。 但是，通过组合由不同类型的玻璃或反射镜制成的多个透镜，有时还使用非球面，可以消除任意小余数以外的像差。 系统的自由度（特别是表面距离和曲率）由优化计算确定，使得整体像差最小。 这称为误差校正或光学系统。

此校正过程的计算量非常大。 这里描述的所有像差都是叠加的，光学系统的任何变化都会以一般非线性的方式影响所有像差。 唯 一的例外是仅通过镜子显示的系统不会出现色差。

借助图像处理，您可以减少颜色放大误差（色差），随后使用类似于校正的方法补偿桶形或枕形失真。 对于数码相机，这些过程在固件中实现。

球面像差，又称孔径误差或球面度误差，是一种锐度误差，会导致平行于光轴入射或从光轴上同一物点发出的光线，通过后焦距不一致。系统。 因此它们不会收敛于一点。

一般来说，光束越远，偏差越大。 出于对称性的原因，折射光线的后焦点 s {\displaystyle s} 由偶函数给出：

s = s 0 + ∑ k = 1 ∞ w 2 k a 2 k

这里 a  是光线进入系统的轴向距离，w k  表示第 k 阶球面像差的强度。 s 0 是折射光线的近轴后焦距。

具有球面像差的镜头可提供具有锐利但对比度低的细节的柔和图像，只有近轴光线对其有贡献。 离轴光线在明暗过渡处产生光晕。

最 大清晰度水平前后的主体模糊程度不同。 有些镜头的球面像差可以在很宽的范围内进行无级调整，以调整焦点前后的模糊和焦点的清晰度。

对于仅包含球面（球面）折射或反射表面的系统，无法获得完全没有球面像差的实像（参见无球差图像）。 在镜头或反射镜上使用非球面，可以完全校正球面像差。 因此，用抛物面镜对远点的成像没有球面像差，并且对于近轴光线是准确的。 然而，磨削球面比磨削非球面曲面更容易，因此也更便宜。 球面的广泛使用是基于这样一个事实，即它们的生产成本要低得多，而通过组合多个透镜可以有效地减少它们的像差。 非球面研磨镜头的成本在具有许多镜头的系统中被考虑在内，因为您可能需要使用很少的镜头ger镜片可以达到同样的成像质量。

同时，有生产高质量非球面作为冲压件（成型）的工艺，这要便宜得多。 较小的镜片可直接压制成型，较大的则通过成型等体积的球面镜片来生产。 尺寸受到两个问题的限制：一方面，只有少数几种玻璃适合成型，另一方面，由于成型过程中产生的内应力，成型镜片往往具有不均匀性。

小型塑料镜片可以使用注塑成型或注射压缩成型工艺廉价制造，但不适用于对图像质量要求较高的系统，例如摄影镜头。 也可以在球面玻璃镜片上浇铸一层塑料，然后将其压成非球面形状。 该技术也可用于摄影镜头。

借助傅科的尖端法，球面像差也可以用简单的方法轻松检测出来。 在光学零件的大规模生产中，干涉测量法如今很常见。

如果球面像差限制了分辨能力，可以通过缩小到临界孔径来提高分辨能力。

散光是“倾斜”光线的像差。 倾斜入射的光线束在子午面和​​矢状面中发生不同程度的折射。 在子午面 (M) 的方向上，镜头的透视缩短，导致焦距变短。

因此，在点中不显示任何点，而是在相应的其他平面中显示焦线。 在两个焦平面的前面和后面形成椭圆而不是圆形，因为平面中的每束光线变成椭圆并且在每个点具有不同的张角。 如果将屏幕放在矢状焦平面后面，则可以看到在子午方向（红色）具有长半轴的椭圆形。 同样，子午焦平面前面的椭圆在矢状方向（绿色）有更长的半轴。 在两者之间有一个点，其中一个点被成像为一个模糊的圆圈，最小的混乱圈或最小混乱圈。

散光的特征是散光差，即焦线之间的距离。 该距离随着入射光束与光轴的更大倾斜度、透镜厚度、透镜功率和透镜几何形状的增加而增加。 所以例如 双凸或双凹镜片与弯月镜片相比有特别强烈的散光。 为了矫正眼睛散光，在眼镜的帮助下产生有针对性的散光，并补偿这种像差。

可以设计一个光学系统来减少或消除散光的影响。 这种光学器件称为消散像。 此名称仅具有历史意义，因为此错误仅在出现严重制造错误的情况下出现在现代镜头上。

类似于散光的像差可以发生在业余天文学中使用的反射望远镜中，这些望远镜通常通过轴向移动主镜来聚焦。 这可能会导致小的倾斜，因此当从焦外或焦内侧聚焦时，星星的图像不再是点状的，而是在水平或垂直方向上看起来有些拉长。

彗差发生在光束以与光轴成一定角度入射时叠加两个像差：球面像差，它也对光轴有影响-平行束和斜束的散光。 图像点不是锐利的衍射盘，而是用指向光学器件边缘的“尾巴”创建的，这就是该现象的名称。 这种现象可以通过停止边缘光线来减少，但斜光束的散光仍然存在。

彗差可发生在透镜和反射镜光学器件中。 球面像差和彗差都得到完全校正的光学系统称为平面光学系统。

如果光学系统具有场曲率，则图像不是在平面上而是在曲面上生成的 - 因此这就是所谓的位置误差。 沿光轴的交点位置取决于图像高度，即物体越远，因此图像点离轴越远，图像点在轴向方向上移动得越多（通常向前，朝向镜头）。