初級和二級垂軸色(sè)差
當離軸物點的不(bú)同顏色的光線聚焦在像麵上的不同高(gāo)度就可以看到垂軸色差(chà)。實際上,這是放大率的色變量。藍光和紅光的差別就是初級垂軸色差,黃光與紅光的差(chà)別就是(shì)二(èr)級垂軸色差。在上(shàng)表 1可以找出初級和二級(jí)垂(chuí)軸色差的定義。垂軸色(sè)差是像邊緣色散的原因。軸上點沒有垂軸色差,軸(zhóu)上色暈的原因是軸向色差。垂軸色差隨著(zhe)視場(chǎng)角的增大而更加明顯,在(zài)廣(guǎng)角光學係統(光學透鏡)中它常常很嚴重。需要記住的是,垂軸色差與 f/#無關,隻與(yǔ)不同波長的主光線在像麵上的高度有關。
色球差
色球(qiú)差是球差關於波長的函數變化(huà)。通常(cháng),一個消色差雙膠合在藍光會有未校正或負的球差,在紅光會有過校正或正的球(qiú)差。如圖 6a所示,表示(shì)不同玻璃類型的(de)橫向光線像差: 對(duì)於(yú)相對較低的F數如f/4的雙膠合,主光線的球差很小,自然會使紅(hóng)光和藍光球(qiú)差很小。為了隻考察(chá)剩餘色球差,對第(dì)一個表麵添加非球(qiú)麵,其目的是消除中心 0.5876μm 的 d光的球差。
在這些例子中,使用一個消色差雙膠合,可見三個f/4鏡頭的色球(qiú)差類似。而f/10鏡頭(tóu)的色球差明顯改善。對於相同 BK7和 SF2材料,若考慮(lǜ) f/4鏡頭(tóu)光瞳的中心部分(即 f/10),可以看出像差更線(xiàn)性(xìng)而且更小的球差與色球差。因此,大 F數的鏡頭(tóu)的(de)色(sè)球差更明顯。
玻璃選擇會影響色球差,然而對於用在軸上(shàng)點的雙膠合,下(xià)麵使用模擬玻璃來展示色球差的變化。對於圖 6b 的光(guāng)線像差曲線圖,其使用了模擬玻璃的 f/5 雙膠合產生。為(wéi)了隻探討色球差,雙膠(jiāo)合的第一個麵使用非球麵來消除主光線的球(qiú)差,並使它們的局部色散相互匹配以消除二級光譜。 模擬玻璃的阿貝數取V1=64.167 以及V2=33.848 (它們分別是BK7和 SF2的阿貝數)。
圖(tú) 7給(gěi)出色球差產生的原因。在一個消色差雙膠合中(zhōng),第一個麵和最後一個麵是未(wèi)校(xiào)正(zhèng)球差產生的原因(yīn)。中(zhōng)間那個麵是過校正(zhèng)球差產生的原因。雖然(rán)主光線的球(qiú)差已經被校正(zhèng),但是因(yīn)為有色差,無法保證其(qí)他波長的球差也能被(bèi)校正。
理論上來說,如果紅光和藍光的光程差減(jiǎn)小,那麽色球差就會減小。可以減小第一麵和第三麵的光焦度來達到(dào)這個目的, 即這減(jiǎn)小(xiǎo)了光線偏折(shé)程度 (但是其他情況下這是(shì)不(bú)可行的,例如需(xū)要引入三(sān)階球(qiú)差)。減小元件的厚度在某種程度上也會有一定的幫助。
如圖8所示,是一個三維圖,其既包括傳統的玻(bō)璃圖也包括部分色散偏離正常(cháng)直線的差值。這裏的(de)玻璃(lí)有 BK7,PSK53,KZFSN4,FK54和 SF6。這張表可以讓我們同時找到折射率、阿貝數以(yǐ)及部分(fèn)色散;可以讓我們更快地選擇合(hé)適的玻璃。
通(tōng)過選擇在同一(yī)個色(sè)散麵(miàn)上的兩個玻璃,可(kě)以最小化二級色差,同時也要考慮阿貝數差別與折射率,這三個因素(sù)決定了玻璃的選擇。注意,這裏畫出的是(shì)部分色散到正常直線的差值,相等的(de)部分色(sè)散(sàn)直(zhí)線會被旋轉,這個(gè)旋轉量由玻璃 K7和F2所(suǒ)確定的直線的斜率決定。
為了助於玻璃(lí)選擇以及熟悉常規玻璃的(de)形式,把玻璃表分成 6個區域,如圖 9所示。分區有助於理解整(zhěng)張玻璃表。這是(shì)很有用的,因為光學設計優化過程中通常需(xū)要讓玻璃參數發生(shēng)變化。優化玻璃(lí)參(cān)數通常會得到一個不(bú)實(shí)際的(de)玻璃,這時候(hòu)就需要設計者根據玻(bō)璃表來決定模擬玻璃所覆(fù)蓋的範圍。當(dāng)這個範(fàn)圍結合優化(huà)函數,即 OPD 或橫向光線像差,就有可能(néng)選出一個有(yǒu)益於整個設計的實際玻璃。
總結與結論
本文回顧了在光(guāng)學係統中影響色差的一些因素。並分別敘述了每(měi)種典型色差。探討了像差從何而來,以及如何消除它們(men)。雖然現代光學設計通常是讓程序“自動”選擇玻璃。但是,很多時候是需要人為幹涉的。 因此, 當優(yōu)化光學係統時, 設計者應該要了解玻璃的詳細特征。例如,消(xiāo)色差所選的玻璃是非環保難以製造以(yǐ)及透射性能不好,或者(zhě)非常貴,那麽最好選擇另一個可替(tì)代的(de)玻璃。通過了解,為何這個玻璃是首選玻璃,或者為何優化程序會選(xuǎn)擇(zé)這個玻璃,設(shè)計者就可以(yǐ)很有效地選擇等效玻璃。雙膠合實(shí)驗表明(míng),偏向高折射率的玻璃,且阿貝數差值在 20以上,以及接近的部分色(sè)散值,會得到一個較好的結果。