一、像差基础：几何光学回顾、波像差与几何像差、赛德尔像差分类、像差对成像质量的影响

1.1 几何光学回顾——光线追迹的底层逻辑

做光学设计，说白了就是在跟光线打交道。我个人习惯把几何光学看作一套「光线记账法」——每条光线从物面出发，经过透镜折射、反射，最后到达像面，我们只需要算清楚它在每个面上的偏折和位移。

核心就三个东西：

• 斯涅尔定律：n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂。嗯，这个跑不掉。
• 近轴近似：sinθ ≈ θ，tanθ ≈ θ。只在光轴附近的小角度下成立。
• 高斯成像公式：1/f = 1/u + 1/v。理想光学系统的基石。

我在项目中遇到过不少新手，一上来就追迹全视场全孔径的真实光线，结果系统跑半天不收敛。其实应该先用近轴光线算一遍，确认结构合理，再放开孔径和视场。这个顺序很重要。

1.2 波像差与几何像差——同一个硬币的两面

为什么会有像差？因为真实光线不走「理想路线」。描述这个偏差有两种视角：

两者通过一个简单关系连起来：波像差的梯度就是几何像差。你想想看，波面越陡，光线偏折越厉害，像面上的落点偏差就越大。

我记得有一次调试一个投影物镜，几何像差图显示边缘视场有20μm的弥散，但怎么调都压不下去。后来我换成波像差分析，才发现是波前在边缘区域出现了「翘曲」，根源是镜片边缘的曲率半径加工超差了。换成波像差视角，问题一下就定位了。

1.3 赛德尔像差分类——五类基础像差

1856年，德国数学家赛德尔把单色像差归纳为五类。一百多年过去了，这五类像差依然是光学设计的「基本粒子」。我习惯把它们分成两组：

• 轴上像差（1种）： 球差
• 轴外像差（4种）： 彗差、像散、场曲、畸变

下面这张图是我自己整理的赛德尔像差分类框架，每次做预评估时我都会在脑子里过一遍：

1.4 像差对成像质量的影响——从MTF到分辨率

像差最终会反映在三个指标上：

1. 分辨率下降——细节糊了，无法分辨相邻的两个点。
2. 对比度损失——MTF曲线掉得快，黑白条纹变成灰蒙蒙一片。
3. 像面偏移——最佳像面不在设计位置，需要重新调焦。

我曾经做过一个车载镜头项目，客户要求全视场MTF在80lp/mm处大于0.3。第一次设计时，我只看轴上MTF，觉得没问题。结果样机出来，边缘视场MTF只有0.15。一查，是场曲和像散耦合在一起，导致边缘像面偏离了焦深范围。后来我学乖了，每次设计都会检查全视场像差平衡，而不是只看中心。

1.5 像差预评估的实用流程

我自己做设计时，像差预评估走三步：

嗯，这三步走完，你基本就知道这个系统「病」在哪里了。后面的事——换玻璃、弯板、加非球面——都是对症下药。