提高光学系统品质：色差及其校正方法

大多数成像光学系统都是应用于可见光波段，这就引入了多色光成像后的颜色分离，也就是色散现象。

1）色差的概念

一束白光经光学系统第一个折射面后，各种单色光就被分开了，随后就在光学系统内部以各自的光路传播，造成了各种单色光之间成像位置和大小的差异，即造成了各种单色光的像差之间的差异，描述这种差异的像差就是色差。

色差有两类，即位置色差（轴向色差）和倍率色差（垂轴色差）。

位置色差，指不同波长的光束通过透镜后焦点位于沿轴的不同位置，因为它的形成原因同球差相似，也被称为球色差。由于多色光聚焦后沿轴形成多个焦点，无论把像面置于何处都无法看到清晰的光斑，看到的像点始终都是一个色斑或彩色晕圈。

倍率色差，指轴外视场不同波长的光束通过透镜聚焦后在像面上高度各不相同，也就是每个波长成像后的放大率不同。多个波长的焦点在像面高度方向依次排列，最终看到的像面边缘将产生彩虹边缘带。

2）色差在ZEMAX 中的表示

可以使用分析单色像差的方法在光线像差图中得到色差的分布大小，或者使用ZEMAX 专门提供的色差曲线来分析。

任意建立一个单透镜为例来说明色差，当然系统的波长是多波长即可。

第1 步：输入入瞳直径20 mm。

在“System Explorer”对话框中，“Aperture”的“Aperture Type”选择“Entrance Pupil Diameter”，并且输入“Aperture Value”的值为“20”，其他设置不变，如图2-42 所示。

第2 步：输入视场。

在“System Explorer”对话框中，点击“Fields”中的“Settings”，弹出如图2-43 所示的视场设置对话框，并按图中的数据填入“0、14、20”三个视场。

图2-42　输入入瞳

图2-43　输入视场

第3 步：输入波长。

在“System Explorer”对话框中，点击“Wavelengths”中的“Settings”，在弹出的对话框中选择“F，d，C（Visible）”，并点击按钮“Select Preset”，如图2-44 所示。

图2-44　输入可见光波长

第4 步：输入镜头数据编辑器。(www.xing528.com)

在“Setup”菜单栏下，打开镜头数据编辑器“Lens Data”，并输入相应的曲率半径、厚度、材料值，如图2-45 所示。

图2-45　镜头数据编辑器

第5 步：查看3D 视图。

打开单透镜的3D 视图，如图2-46 所示。

图2-46　3D 视图

图2-47　光线像差曲线

由于对单透镜使用了可见光波长，会产生较大色差。首先用光线像差曲线来分析色差的表现形式，打开“Analyze→Aberrations→Ray Aberration”，选择轴上的第1 视场，如图2-47 所示。

轴上视场产生球色差，即在同一孔径区域不同波长在轴上的焦点不同。以最大光瞳区域光线（Py=1）为例，它们在光线像差曲线上的纵坐标之差即为沿轴的焦点距离。图2-48 为轴上视场的光斑图，按波长显示不同颜色。

图2-48　光斑图

使用专门的色差分析功能，点击“Analyze→Aberrations→Longitudinal Aberration”查看轴向色差，如图2-49 所示。图中横坐标表示像面两边沿轴离焦距离，纵坐标为不同光瞳区域。点击“Analyze→Aberrations→Lateral Color”查看此系统的垂轴色差，如图2-50所示。

图2-49　轴向色差

图2-50　垂轴色差

3）色差的校正

根据材料的色散特性不同，材料分为冕牌玻璃和火石玻璃。冕牌玻璃通常用K 命名，表示色散比较小；火石玻璃通常用F 命名，表示色散比较大。在光学系统设计中，可以使用这两种玻璃材料的组合对色差进行补偿。

材料通过优化，也可以减小色差。材料优化时是离散取样，使用玻璃替代方法来选取，在优化部分中会介绍。

另外，对于高精密消色差要求的系统，或者色差较大使用普通玻璃材料很难消除的情况，常使用二元衍射光学元件进行消色差。