引言

前面两篇技术文章详细讲解了光学设计基础像差中的球差与慧差，知道了球差是轴上视场产生的旋转对称像差，慧差为轴外视场产生的非旋转对称像差，了解了他们在ZEMAX中的各种表现形式及优化消除的方法。

对于轴外视场的成像像差，除了慧差外，其实还有像散与场曲的影响较为显著。

有关场曲的详细介绍将在下篇技术文章中讲解，本篇文章将着重分析像散的概念，在ZEMAX中的表现形式及消除方法.

像散，指轴外物点发出的锥形光束通过光学系统聚焦后，光斑在像面上子午方向与弧矢方向的不一致性。换言之，就是轴外视场光束通过光瞳后，在子午方向与弧矢方向光程不相等，造成两个方向光斑分离所形成的弥散斑。称为光学系统的像散。

像散类似于我们通常提及的散光，比如人眼的散光，指的是人眼看上下方向与左右方向的景物时清晰度不一样，主要原因是人眼角膜在上下方向与左右方向弯曲度不同，造成的屈光度不同。这其实就像是人眼产生的像散。我们所提及的像差主要在于使用透镜光学系统成像后，像面上光斑的分布情况。像散也正是镜头系统在上下方向与左右方向聚焦能力不同形成的。

由于像散的存在，使我们在调整成像光斑时会始终寻找不到最佳焦点，看到的都是一定的弥散斑，光斑或者呈线条形式，或者弥散圆形式，或者椭圆形式。

像散的大小与视场及孔径值大小紧密相关，同时也要注意视场光阑的影响。

 在ZEMAX中我们要了解什么是子午面和弧矢面，物点发出的是锥形光束且充满整个光瞳面的，为了几何光线追迹分析及采样方便，我们人为将此锥形光束分为两个剖面，即子午面和弧矢面：

定义：凡是过光瞳Y轴的所有光束剖面均称为子午面；凡是过光瞳X轴的光束剖面均称为弧矢剖面。

为了详细演示说明子午及弧矢面与像散的关系，我们以ZEMAX自带的库克3片式物镜为例。

打开[ZEMAX根目录\Samples\Sequential\Objectives\Cooke 40 degree field.zmx]

在3D-Layout视图中，我们可以看到，当前YZ平面内看到的光线其实就是过光瞳Y轴的剖面，即子午面：

默认视图下显示的是XY光扇，指的就是子午与弧矢面的光扇，我们做如下设置便可看到弧矢光扇了：

 了解了ZEMAX中这两个方向的描述，我们就具体分析一下，在这个系统中轴外视场是如何表现出这两个方向光斑聚焦的不一致性。

 我们来看此系统的Spot Diagram图分析光斑的形状：

从上面光斑看到，轴外视场表现出明显的非旋转对称性，特别是中间视场具有明显椭圆特征。这是像散的主要表现形式。我们现在来重点分析第二个视场，看看像散用几何光线如何表现出来的。在Layout图中只选择第二个视场的子午面，放大像面处的焦点，我看们到此时子午剖面光线处于未完全聚焦状态：

我们再让视图绕Z轴旋转90度，查看弧矢剖面光线聚焦，放大像面处焦点：

从上面子午剖面与弧矢剖面的光线聚焦情况对比，相信我们已经很清楚像散产生的原因了。

 使用离焦分析功能可以更直观地表示像散的光斑，我们也可以想像到，如果把当前像面取在子午或弧矢面中任何一个焦点处，光斑都将是一条线。打开Througt Focus图，设置离焦间隔为150um：

由于子午与弧矢剖面几何光线聚焦（或光程）不同，在光线差（Ray Fan图）中我们就可以理解像散曲线的描述方法了。也就是光瞳Py像差大小与光瞳Px像差大小不想等。打开Ray Fan图查看第二个视场的像差曲线：

上图所显的光线差图便是像散最具特征的曲线表现形式，当我们在其它系统中看到类似于这样Py与Px像差曲线不一致性，即说明系统存在较大像散。

同样，我们使用波前传播考虑像散形成，由于子午与弧矢面光束光程差不同，这将形成类似于柱面的波前形状。打开Wavefront Map图，选择第二个视场：

考虑有像散产生时的实际波前与理想球面波间的光程差干涉情况，可得到像散的干涉图：

在Seidel数据表中可查看像散的实际大小：

 我们可以使用优化的方法直接优化像散大小，操作数ASTI。

由于像散是轴外视场物点成像的不完美性造成的，我们可以通过调节视场光阑的位置来减小像散影响。通常光视场光阑远离镜头组时像散会减小，最常用的是使用对称结构系统，同慧差消除方法一样，而且对称结构可以同时校正这些轴外像差。

另外，也可使用远离视场光阑的非球面透镜校正外视场像差，效果比较显著。

 本篇文章详细分析了像散的概念，像散产生的原因，像散在ZEMAX中的表现形式及消除方法。

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