利用高级球差曲线分析光学系统

我们在设计成像系统时，最重要的理论依据就是像差理论。虽然现在计算机使光线追迹变得异常轻松，各种光学设计软件也不断尝试实现自动优化，但是目前为止，我们在设计镜头时，还是必须以像差理论为指导。结构决定像差，像差限制性能，因此我们需要在选择初始结构时就要评估它的限制在哪里，从而寻找到一个好的初始结构；在设计过程中，只有了解像差的存在状况后，才能对结构参数进行有针对性的修改，并根据效果确定修改是否合适，这样不断的去调整最终。这个工作就是我们在光学设计中的任务。

对于未校正系统，初级像差往往很大，这时候初级像差系数就非常有用。以前的设计师用初级像差来确定初始结构，得益于时代进步，我们现在一般可以跳过这个步骤，直接选择现存的初始结构，这样我们的精力就可以放在像差的校正上。几乎所有的成像设计软件都可以把初级像差作为操作数加入到优化函数中，结合光线追迹，我们可以迅速进行系统的优化。

但是，不幸的是，目前这些软件的自动优化功能还没有先进到让我们在喝茶聊天的时候就完成设计，所以仍然需要我们去发挥自己的聪明才智。我们必须不停的问自己，优化为什么停止了，到底是什么限制了进一步优化，我该怎么去修改结构参数和优化函数。在跟这些问题日积月累的斗争中，我们才不断刷高自己的经验值。一般来讲，当你的优化难以继续的时候，主要是因为是系统当前的结构走到了尽头，当然也可能是优化函数不合理需要修改。我们主要讨论前者，系统的结构决定了高级像差，而高级像差一般很懒，不怎么变动，我们知道光学设计的主要原理就是像差平衡：低级像差和高级像差之间的平衡、不同像差之间的平衡。所以残留像差很大且难以降低，很可能就是高级像差太大无法平衡所致。现在这些软件一般不提供高级像差分析，所以我们很头疼啊，高级像差它到底是什么样子啊，是由哪部分结构产生的啊。这个问题，我们迫切需要知道。 我们不如来看看那些光学系统的高级像差到底是什么样子的，这里以球差为例，尝试分析几种光学系统的高级球差分布。

案例1：Cooke与Tessar高级球差对比分析

案例2：两个20X显微物镜的高级球差对比分析

案例3：两种不同结构双高斯物镜的高级球差对比

案例4：大孔径物镜的高级球差特征当物镜的F数变小时，高级像差迅速增长，从而限制了F数的减小。下面以两个系统的对比来说明

总结：在选择初始结构和深入校正像差时，我们都需要精确地知道像差的实际分布情况和像差校正的极限以作为参考。一般来说，像差校正受系统结构或者说是高级像差的限制，对于结构的限制我们往往无法快速直接准确地看出来，因此计算出高级像差就成为了最佳选择。作为最基本的像差，高级球差曲线的绘制，是十分必要的。而把高级球差作为操作数加入到优化函数中，对镜头设计的效率和质量会有很大的提升。