光学像差
像差是实际光学系统偏离理想近轴成像的现象，它会使远离光轴或非近轴光线的图像变得模糊或失真。
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Definition
成像缺陷，指光学系统未能将每个物点映射到单个清晰像点，根据非近轴光线的几何特性分为单色像差，根据折射率的波长依赖性分为色差。
Scope
本主题涵盖了当近轴近似失效或涉及不同波长的光时，完美成像所产生的系统性偏差。它包括五种主要（赛德尔）单色像差：球差、彗差、像散、场曲和畸变，以及由色散引起的色差。它还讨论了像差的波前描述、它们对孔径和视场（field）的依赖性，以及在透镜设计中用于平衡或校正像差的策略。
Core questions
- 为什么实际透镜无法完美成像离轴或大孔径物点？
- 主要像差有哪些不同类型，每种像差如何使图像失真？
- 色差是如何由色散引起的，又是如何校正的？
- 多元件设计如何平衡各种像差？
Key concepts
- 球差
- 彗差
- 像散
- 场曲
- 畸变
- 色差
- 波前误差
- 阿贝数
Key theories
- 赛德尔（三阶）像差理论
- 将波前误差展开至孔径和视场角的三阶，可得到五种主要单色像差：球差、彗差、像散、场曲和畸变，每种像差都对孔径和视场有其特有的依赖性。
- 色差与消色差
- 由于折射率随波长变化，焦距也取决于颜色；在消色差双合透镜中结合互补色散的透镜，可使两种或更多波长聚焦于共同的焦点。
Clinical relevance
人眼的像差，包括低阶屈光不正和高阶像差，通过波前像差测量仪进行测量，并可通过眼镜、定制隐形眼镜或屈光手术进行矫正；控制像差对于高分辨率显微镜和天文仪器也至关重要。
History
赛德尔于1856年发表了五种主要像差的三阶理论，为透镜设计师提供了系统的词汇。在此之前，夫琅和费等人已经开发出消色差双合透镜来抑制色差，后来阿贝在显微镜光学器件制造中，为透镜设计奠定了更坚实的理论和计量基础。
Key figures
- Ludwig von Seidel
- Ernst Abbe
- Joseph von Fraunhofer
Related topics
Seminal works
- bornwolf1999
- smith2007
Frequently asked questions
- 球差和色差有什么区别？
- 球差是一种单色缺陷，其中通过球面不同区域的光线会聚焦在不同的距离；而色差的产生是因为不同波长的光线折射量不同，因此聚焦在不同的点。
- 像差能完全消除吗？
- 没有单个透镜能完全消除所有像差，但通过精心选择元件形状、材料和间距，以及使用非球面，可以将残余像差降低到特定应用可忽略的水平。