在成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們首先需要了解一些最基本的基礎(chǔ)知識，即基本的像差理論。懂得像差在光學(xué)系統(tǒng)中形成的原因，可以極大的幫助我們校正產(chǎn)生的這些像差，達(dá)到很好的成像質(zhì)量。
常見的初級像差:五種單色像差和兩種色差。
五種單色像差分別為：球差，慧差，像散，場曲和畸變
兩種色差：球色差和倍率色差
下面我們來詳細(xì)分析球差產(chǎn)生的原因：
球差概念
什么是球差？其實(shí)球差也叫球面像差，是指軸上物點(diǎn)發(fā)出的光束通過球面透鏡時(shí)，透鏡不同孔徑區(qū)域的光束最后匯聚在光軸的不同位置，在像面上形成圓形彌散斑，這就是球差。
在FRED中如何表示呢？
FRED中球差的表述
打開FRED軟件，設(shè)計(jì)一個(gè)新的平凸透鏡R1=0,R2=-25.4 ;厚度5.08 ;半孔徑12.7材料為標(biāo)準(zhǔn)玻璃。
光源選擇為垂直方向的線光源
X方向的光線數(shù)1；
Y方向的光線數(shù)51；
孔徑:11.7mm*11.7mm
Z軸負(fù)方向：5mm
尋找最佳焦點(diǎn)：
最佳幾何焦點(diǎn)的概念在FRED是RMS最小值的位置,而近軸像平面的位置RMS并不是最小值，對于近軸的位置我們可以使用減小光源的半孔徑的大小，可選取半孔徑1mm*1mm。
1、 追跡光線
2、 點(diǎn)擊analyses/ Best geometric focus
3、 生成報(bào)告
在Z方向最佳幾何焦點(diǎn)位置為45.689443，
建立探測平面及分析面
注意此時(shí)的沿著Z方向的平移值即為最佳幾何焦點(diǎn)位置值。
光線追跡（1*51,子午光線）
點(diǎn)列圖：（光線設(shè)置為51*51）
打開輸出窗口，我們可以看到其RMS和幾何尺寸大小，
如果系統(tǒng)中只存在球差，那么我們可以估算其球差大小為其最大點(diǎn)列圖最大尺寸，為1.500344mm。
但在實(shí)際的應(yīng)用中，我們只需要計(jì)算其賽德爾系數(shù)SPHA。
如何查看三階像差賽德爾系數(shù)大小：
我們這里利用近軸分析工具“paraxial analysis”,可以計(jì)算系統(tǒng)的一階和三階系數(shù)。
1. 首先我們自定義光線路徑Ray trace/user –defined ray paths，
光線按照序列追跡走向分別經(jīng)過面1-面2-像平面
首先必須要給路徑命名，其次是注意元件序列追跡的順序以及光線通過每一面的光線屬性控制，此例子中我們是允許光線在透鏡面透過，因此我們選擇鏡像透射，并在像平面處停止。
2. 創(chuàng)建完成后，我們點(diǎn)擊Analyses/ paraxial analysis
注意創(chuàng)建之前我們需要修改表面0的半孔徑值：0.0001改為無限遠(yuǎn)的物點(diǎn)
點(diǎn)擊Third Order,
第一列即為三階球差貢獻(xiàn)量。
總結(jié)：
到此球差分析就結(jié)束了，F(xiàn)RED提供的分析工具最多可分析到三階像差，對于高階球差的分析則需要自定義腳本，畢竟FRED不是專門透鏡設(shè)計(jì)軟件，它可以導(dǎo)入zemax等光學(xué)軟件設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)。
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