光学系统中的像散表现与优化

1）像散的概念

像散也是一种轴外像差。与彗差不同，像散仅仅与视场有关。物点发出的是锥形光束且充满整个光瞳面，为了几何光线追击分析及采样方便，人为地将此锥形光束分为两个剖面，即子午和弧矢面。凡是通过光瞳Y 轴的所有光束剖面均称为子午面，凡是过光瞳X 轴的光束剖面均称为弧矢面，如图2-12 所示。

图2-12　像散示意图

由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束（即镜头的直径方向）的会聚点与弧矢细光束（镜头的圆弧方向）的会聚点位置不同，这种现象称为像散。像散可以对照眼睛的散光来理解。带有散光的眼睛实际上是在两个方向上的晶状体曲率不一致，造成看到的点弥散成了一条短线。像散也使得轴外成像的成像质量大大地下降。像散的大小只与视场角有关，与孔径是没有关系的。对照相系统而言，即使光圈开得很小，在子午和弧矢方向上仍然无法同时获得非常清晰的像。在广角镜头中，由于视场角比较大，像散现象就比较明显。因此，在拍摄的时候应该尽量使得被摄物体处于画面的中心。这好像与构图要求不把主要表现对象放在图面正中央有些冲突，如何掌握就要看实际情况了。

由于像散的存在，使得在调整成像光斑时会出现始终寻找不到最佳焦点，看到的都是弥散斑，光斑或者呈线条形式，或者呈弥散圆形式，或者呈椭圆形式。

像散的大小与视场及孔径值大小紧密相关，同时也要注意视场光阑的影响。

2）像散在ZEMAX 中的表示

为了说明像散在ZEMAX 中的表示，可以打开系统自带的光学系统。打开“Samples\Sequential\Objectives\Cooke 40 Degree field.zmx”，其3D 视图如图2-13 所示。

图2-13　3D 视图

在3D 视图中，默认视图下显示的是YZ 平面内看到的光线其实就是过光瞳Y 轴的剖面，即子午面。对默认视图，做如图2-14 所示的设置，就可以看到弧矢光扇了。

对XY 光扇，在Y 方向旋转-45°，Z 方向旋转-30°，就可以看到如图2-15 所示的弧矢光扇了。

图2-14　视图设置

图2-15　3D 视图

打开此光学系统的Spot Diagram（光斑图）来分析光斑的形状，进一步查看其像差，如图2-16 所示。

图2-16　光斑图

从光斑图上可以看出，轴外视场2 和3 有明显的非旋转对称性，这是像散的主要表现形式。选择第2 个视场，看看在几何光线分析中像散是如何表现的。

在3D 视图中按图2-17 进行设置，只选择第2 个视场的子午面。

图2-17　3D 视图设置

放大视图像面处的焦点，看到此时子午剖面光线处于未完全聚焦的状态，如图2-18 所示。(www.xing528.com)

图2-18　子午剖面3D 视图

同样，查看第2 视场的弧矢剖面光线聚焦，并绕Z 轴旋转90°，视图设置如图2-19 所示。

图2-19　弧矢剖面3D 视图设置

放大3D 视图像面处焦点，如图2-20 所示。

通过对子午和弧矢剖面的光线聚焦情况对比，已经对像散产生的原因有了一定的了解。

图2-20　弧矢剖面3D 视图

使用ZEMAX 中的离焦分析功能，可以更直观地表示像散的光斑，打开第2 视场“Analyze→Rays & Spots→Through Focus Spot Diagram”，离焦间距为200 mm，弧矢剖面光斑图如图2-21 所示。

图2-21　弧矢离焦光斑图

打开“Analyze→Aberrations→Ray Aberration”光线像差图（第2 视场），如图2-22所示。由于子午和弧矢面几何光线光程不同，也就是光瞳Py 像差大小与Px 像差大小不相等，所以在图2-22 中可以看到子午和弧矢像差不相同。

图2-22　光线像差图

除了光斑图和光线像差图可以查看像散外，赛得尔像差数据表和柱状图也可以查看像散的实际大小。

图2-23　赛得尔像差系数

方框内的是赛得尔像差的像散系数。打开赛得尔像差系数柱状图，如图2-24 所示。

图2-24　赛得尔像差系数柱状图

在赛得尔像差系数柱状图中，Astigmatism 表示像散。

3）像散的校正方法

像散和彗差一样，均是轴外物点因为远离光轴而产生的像差。所以，像散会随着视场角的增加而增加，即大视场光学系统的像散较大，严重影响像质，必须给予校正。可以使用优化的方法直接优化像散大小，操作数为ASTI。

由于像散是轴外物点成像的不完美造成的，可以通过调节视场光阑的位置来减小像散的影响。通常光视场光阑远离镜头组时像散会减小，最常用的方法是使用对称结构系统，同彗差校正的方法一样，而且对称结构可以同时校正这些轴外像差。另外，也可以使用远离视场光阑的非球面透镜校正外视场像差，效果比较显著。