看图分析像差（三）

Mr.Li

光扇图可看：场曲、球差、离焦、慧差、像散、倍率色差，但一般看点列图更方便
常用配合为：点列图+畸变图+轴向色差+MTF

要理解不同光线图所表示的意义，一定要先理解图线横、纵坐标值含义。EY、PY、EX、PX之间的关系，网上有明确的说明
ZEMAX的Ray fan图中,Py、Ey的坐标关系如何理解 - 豆丁网 (docin.com)
该说明比较详细，我简单总结一下：
1、PX、PY分别代表的是入瞳上的横坐标值、纵坐标值。
2、EX、EY分别代表的是像面上的横坐标值、纵坐标值。
3、PY-EY是子午面光线图；PX-EX是弧矢面的光扇图；光线图中坐标原点其实是主光线在像面上的落点。
理解了这三点，才能进行下面的分析。
子午面光扇图，其纵轴EY的值是子午面光线落在像面上的高度，因此，对比不同视场下的PY-EY可以非常明显的看出不同视场下，光斑的高度差别。
同理，对比不同视场下的PX-EX可以非常明显的看出不同视场下，光斑的宽度差别。
光扇图和点列图可以理解为完全是一个东西，但点列图更直观，光线图将点列图数据化了。


一、光扇图看场曲

上面是楼主的光扇图（第一个视场明显是0视场，第二、第三视场看不清，姑且认为是0.7视场和1视场吧），我将楼主光线图中3个视场下的PY-EY单独截取出来，如下所示。

很明显，由于三条曲线在EY轴上所占据的范围相差巨大，说明不同视场下的光斑高度差别很大。其中0视场的光斑高度值较小，1视场的光斑高度值最大，说明子午场曲存在。存在场曲时会导致不同视场下光斑大小不同。这一点，看点列图的效果更好，更直接。
同理，我们再看这3个视场下的PX-EX曲线（这里偷懒不划线了），很明显EX轴上所占据范围相差巨大，说明不同视场下的光斑宽度差别很大，即弧矢场曲。

这进一步证明了场曲的存在。
实际操作时没有这么麻烦，熟悉了以后，对于某个光学系统的光扇图，一眼看过去就能从图上的曲线差别分辨出有没有场曲，非常直观明了。但要定量的分析场曲，需要配合“场曲曲线图”观看。

二、球差
球差是0视场像差，因此只需看0视场的光扇图。理想的像点是光线交于一点，对于没有球差的轴上点，无论EY还是EX应当都为0。下面是0视场光线图，显然球差是存在的（只要EY、EX不为0，必然存在球差）。
对应于点列图，只要0视场是弥散斑就有球差。

已知EY轴范围越广，光斑高度越广；EX轴范围越广，光斑宽度越广。
因此，看球差大不大，从图中曲线范围就能明显看出来。书上一般写为，连接子午/弧矢面光线图曲线两端点，该连线的斜率越大，球差越大，两者是一个意思。如下图（红线）所示，曲线在纵轴占据范围变大斜率自然变大了。


三、离焦
系统有无离焦从0视场的光扇图上能非常明确的看出来，但是楼主所发的图里并无离焦。下图为存在离焦的草图（自制）。

存在离焦（像面不在系统焦平面上）的直观表现是曲线在坐标原点处斜率不为0。图中我所画紫色直线为红色曲线在坐标原点处的切线，显然斜率不为0。
因为无离焦时，在靠近主光线（近轴范围）内的光线，其落在像面上的点和主光线相距很近，在光扇图上则形成一条平滑曲线，越靠近坐标原点处曲线上点的切线斜率越小，在坐标原点处斜率为0。离焦在点列图中不易观察。

四、慧差
慧差是轴外像差。如果一个系统不存在慧差，那么轴外点发出的光在像面上应该形成一个对称、中心亮，边缘渐暗的弥散斑。入瞳上左右对称/上下对称的光线其在像面交点也左右对称/上下对称，即光线图曲线是一个关于原点对称的图像。因此，当光线图曲线不关于原点对称，如下图中0.7、1视场的EY曲线所示，必然存在慧差。弧矢慧差判别方法与此一致。

根据慧差的定义可知：曲线两端点连线与纵轴相交的点，其值越大，慧差越大。
在点列图中根据光线聚集点是否在弥散斑中心就能一眼看出该视场下是否存在慧差。

五、像散
像散造成成像变形，其高低方向，宽窄方向光斑尺寸不同，因此看像散存在与否需要看该视场下子午曲线和弧矢曲线的差别。像散在光线图上表现为：某视场的EY（表示弥散斑高度）与其EX（表示弥散斑宽度）不等。如下所示，0.7视场和1视场必然存在像散。书上一般看两条曲线的两端斜率来推断像散有无，实际是一个意思。

通过点列图观察弥散斑形状更易看出是否有像散存在。
六、倍率色差
倍率色差：不同波长的光经过系统后，因其垂轴放大倍率不同，在像面上落点不一。以前的老照片人物、风景图像周围存在蓝边就是倍率色差的直观表现。在光线图中表现为：不同色光曲线不重合。如下图所示，红绿蓝光线基本都重合了，说明该系统基本上没有倍率色差。但曲线未完全重合，倍率色差必然是存在的，具体量值需要看“倍率色差图”。



畸变/场曲图
一、场曲曲线
用于定量分析场曲值。一般根据光线图/点列图看看场曲大致范围就够了。
二、畸变曲线
畸变是不同视场下倍率不同造成的像差，视场作为变量，在仅仅几个视场的光线图和点列图中看不出来。需要根据“畸变曲线图”进行观察。
与场曲不同，畸变作为影响成像效果的主要因素之一，是极其受重视的。视场越大，畸变越严重，通常打开畸变/场曲图都是为了看畸变。


倍率色差图
用于看定量分析倍率色差值（用到的可能性比较少）。一般看的是位置色差。

位置色差图
用于定量分析位置色差值，位置色差是0视场下，不同波长的光，其在光轴上的交点（焦点）位置不同。表现的是沿光轴方向上，不同位置处的色球差大小，是一个非常重要的值。

MTF图
MTF是像面上成像质量的直观表现，突出系统总体成像情况；点列图是特殊视场（0、0.7、1）下，点的成像质量，表现的是系统细节部分。因此会结合MTF和点列图看成像质量。但是MTF图看不到畸变、轴向色差。


综上：一般看的是点列图+畸变图+位置色差图+MTF

斯蒂尔闻德

Mr.Li 发表于 2022-6-11 06:17
光扇图可看：场曲、球差、离焦、慧差、像散、倍率色差，但一般看点列图更方便
常用配合为：点列图+畸变图+ ...

那个场曲，用看光斑宽度的方式，老实说不是很严谨额。场曲本质上还是轴外视场相对于中心视场的离焦。

所以看不同视场EYPY曲线的中心斜率差异，基本可以判断有无细光束场曲，而宽光束场曲直接看Rayfun两端连线的斜率差异。当然不同孔径下连线的斜率差异也能看出对应孔径下的场曲差异。
球差也有轴外视场的哦，轴外子午球差和轴外弧矢球差。当然判断方式跟中心视场一样。

L1570

根据光扇图看的话，存在原点斜率比较大的情况和子午与弧矢斜率不同的情况，我推测存在场曲和像散。并且有曲线弯曲程度较大，因此推测还存在慧差，如有不对还请批评指正。