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工业镜头的球面像差

作 者:康耐德智能 关注:128 发表时间:2019-08-16 08:54:14 来源:网络资源

在理想的[工业镜头]上,光轴上的一点发出的光线通过镜头任一部分都可以汇聚成一个完整的点,即常说的成点像。但在球面镜片组成的镜头上,实际情况并非如此,通过镜头边缘的光线会偏离汇聚点,在边缘部分光线所发生的折射弯曲程度比中心要大,这就是球面像差,又称球差。


一般球面镜片光线在进入镜片后到焦平面时在其边缘部分比中央部分容易产生严重的折射与弯曲,此现象会导致锐利度和对比度的降低及光斑的产生而使得影像品质下降,而且光圈越大越严重,所以可以缩小光圈的方式是可以改善这种情况,但是无法完全消除。而此种因球面镜片所产生的像差称为球面像差。



由于球差的影响,点的成像不再是完整的点,而是一个小小的斑,降低了成像的锐度。与物高无关而与入射光瞳口径三次方成正比的像差,它使理想像平面中各像点都成为同样大小的圆斑。轴上物点只有球差这一种像差,通过入射光瞳上不同环带的光线,经过光学系统后会聚在光轴上的不同点。这些点与近轴光的像点之差称为轴向球差。


球差,亦称球面像差。轴上物点发出的光束,经光学系统以后,与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置,因此,在像面上形成一个圆形弥散斑,这就是球差。一般是以实际光线在像方与光轴的交点相对于近轴光线与光轴交点的轴向距离来度量它。


对于单色光而言,球差是轴上点成像时***存在的像差。轴外点成像时,存在许多种像差,球差只是其中的一种。除特殊情况外,一般而言,单个球面透镜不能校正球差,正透镜产生负球差,负透镜产生正球差。



对一定位置的物点而言,当保持透镜的孔径和焦距不变时,球差的大小随透镜的形状而异。因此,以适当形状的正、负透镜组合成的双透镜组或双胶合镜组是可能消球差的一种简单结构。


保持透镜的焦距不变而改变透镜形状,犹如把柔软的物体弯来弯去,故被称为透镜的整体弯曲,它是光学设计时校正像差的一种重要技巧。


在没有球差的理想圆形镜头上,对某一点对焦成像,则该合焦点前后的点都会在像平面上均匀弥散为一个圆,这种弥散形成了焦外成像。


球差与光圈值有关,大光圈镜头球差特别明显,收缩光圈可以减小球差,而聚光线窄的地方的位置也会不同。球差给大光圈镜头带来对焦偏移问题,镜头开启大光圈取景对焦的,此时球差严重,对焦系统在此条件下找到了锐度高的对焦位置。拍摄前瞬间,镜头光圈会收缩到设定的数值,此时球差减小,锐度高的位置就会发生变化。



球差是可以矫正的。改变前后球面的曲率半径的比值、利用正负透镜组成消球差透镜组都可以减小球差,使用非球面镜片可以减少甚至消除某些特定球差。而浮动对焦系统可以减轻对近距离对焦时增加的球差。但实际上没有工业镜头能全部消除球差。而且球差是焦内、焦外成像设计的重要部分。


没有矫正球差的工业镜头则不同,其弥散圆并不均匀。近景点由于边缘光线集中,弥散圆边缘明显、中间较淡。远景点不同了,中央部分光线集中,弥散圆边缘较淡。


焦外成像是大光圈镜头光学设计的重要考量因素,球差矫正再好,大光圈成像锐利,如果焦外生硬,这个工业镜头效果也不是很理想。如果保留一定的球差能明显改善焦外成像,那么就要接受附带的大光圈锐度降低和收缩光圈焦点偏移。如同某些光学设计用暗角来提升边缘成像锐度,用场曲来改善畸变一样。



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