第三节 光学系统中一些典型部件的像差情况如何？

摄影镜头是由不同的光学部件按照一定的像差要求组合而成的光学系统。因此，分析一些基本部件的像差情况，对于了解摄影镜头的像差及性能是非常重要的。

一、平面反射镜的像差情况如何？

平面反射镜是摄影系统中的基本部件之一，如亮框取景器中就有平面反射镜。理论上平面反射镜是唯一能成理想像的光学系统。

但由于平面镜加工产生的面形误差，实际上得不到理想的平面。如图 3-13 所示，当平面反射镜起转折光路作用时，平面镜的光轴跟整个光学系统（以一凸透镜表示）的光轴不重合，这样光学系统的轴上点对平面镜而言却是轴外点。当平面镜面形误差很大时，则将产生轴外像差， 最显著的是像散差，不存在色差。

二、平行平面板的像差情况如何？

平行平面板（加在相机上各种滤光镜、高倍显微镜的盖玻璃等）在任何情况下都不产生场曲，当孔径较大时产生球差和慧差，当视场角较大时它将产生像散和畸变。

三、反射球面的像差情况如何？

反射球面是反射系统和折反系统中常用的基本部件之一。图 3-14 所示为物在无限远时的光路图，过入射点 A 的半径 AC 为此点的法线，根据反射定律可求得与无限远物点共轭的像点 F（也是反射镜的焦点），并且 OF 等于球面半径的一半。经过计算得知，反射球面的球差约为同等焦距单薄透镜处于最优良形式（s＝∞）时球差的八分之一，如果光阑置于球心，则没有慧差、像散、畸变和色差。

四、场镜的像差情况如何？

1.什么叫场镜？

①什么叫转像系统？

在望远镜和显微镜中常设置转像系统。转向系统的作用在于适应结构布局的需要，使光路偏转一定的角度；把倒立的像转变为正立的像， 便于观测；加大筒长，形成一定的潜望高度；可以重新成一次像，加大整个光学系统的放大率。转像系统种类很多，图 3-15(a)所示的转像系统是由透镜组成。

②什么叫场镜？

在有转像系统的光学系统中，由于物镜和转像系统之间形成一个中间像，所以轴外光束在转像系统上的入射高度增大，如图 3-15(b)所示。这样，不仅使转像系统的轴外像差增大，同时也增加了转像系统的孔径。

为了克服这个缺点，在中间像的位置设置一个正透镜就可把轴外光线压低，可减小转像系统的口径，如图 3-15（c）所示。加在中间像平面位置上或附近的透镜称为场镜，如果没有场镜，光线将按照虚线的方向传播， 转像系统必须按虚线尺寸设计。

场镜可用来补偿系统的场曲和畸变。例如若在像面处加负场镜产生的正场曲和正畸变可以补偿整个系统的负场曲和畸变，而不影响其它像差。

五、弯月型厚透镜的像差情况如何？

图 3－16 所示为弯月型厚透镜，其中 r1 与 r2 都为负，且│r2│＞│ r1│，由厚透镜焦距公式（2-27(a)）：

f ′＝ nr1r2

(n − 1)[ n(r2 − r1 ) + (n − 1)d]

上式中分子为正，如果分母也为正，则 f′就为正。只有当 d 足够大时， 即│（n-1）d│＞│n（r2-r1）│时，弯月型厚透镜的焦距为正。在此前提下，随着厚度的不同，它所产生的场曲可正、可负、也可为零。

在各种像差中只有场曲和位置色差是由光学系统的光焦度分布决定的，与透镜的形状无关。但其它像差都跟透镜的形状有关。因此，在校正像差时，首先根据光焦度分配来校正场曲和色差，然后在保持光焦度不变的条件下改变光学系统的结构（r、d）以校正其它像差。弯月型厚透镜是常用的校正场曲的部件之一。单折射球面的场曲可由下式求得

＝J 2 n′ − n

Ⅳ n′nr

式中 J2 为常数，r 为折射球面半径，n 与 n′分别为折射球面物方与像方

折射率。弯月型厚透镜的场曲为两个折射球面场曲之和，即

∑S ＝J 2 n′1 − n1 ＋J 2 n′2 − n2 （3 - 9）

r1 n1 n1′ r2 n2 n∋2

＝J 2 n − 11 1

n  r1

− 

r2 

其中 J2 与 n-1/n，都为正，当│r1│＜│r2│时，场曲为正；│ r1│＞│ r2│时场曲为负；在│r1│＝│r2│时，场曲为零。而一般的正薄透镜只可能产生正场曲。

如果在厚透镜中加一胶合面，则可同时消色差，但它本身不能消球差和色差。

六、鼓形透镜的像差情况如何？

厚的双凸透镜称为鼓形透镜，它与两块平凸透镜跟一块平行板组成的密接系统等效。这种厚透镜与等效薄透镜像差之差可近似地用平行平板的像差来表示。因此在光学系统的像差校正过程中，把某一薄透镜变成“鼓形透镜”可以得到一定的像差的附加量来补偿整个光学系统的像

差。在一些短焦距、大孔径、大视场的摄影镜头中，采用这种结构对像差的校正是有益的。

七、全对称光学系统的像差如何？

结构参数完全对称于光阑，即以光阑为界分为前后两半部的光学系统称为全对称光学系统。图 3-17 所示的双高斯摄影镜头就是一种常见的全对称系统，图中的光路是β＝－1 时的情形。通过计算得知：整个系统轴向像差、球差、像散、场曲和位置色差均为半部的二倍，因为每一半部的相应像差大小和符号都相同；垂轴像差，慧差、畸变和倍率色差对整个系统而言分别都为零，因为每一半部相应的像差都大小相等而符号相反。

图 3-17 中各组元在校正像差中的作用是：中间两个弯月型厚透镜可以校正场曲，厚透镜中加胶合面可校正每半部的位置色差，并使厚薄透镜补偿球差，合适的光阑位置校正像散。

照相镜头多对无限远校正像差，在结构形式上虽保持对称，但具体结构参数（r、d、n）则需适当偏离对称，以补偿β≠－1 时所引起的像差。