照相系统与摄影物镜像质评价

14.6.2　照相系统与摄影物镜像质评价

照相物镜把景物成像在感光底片上经曝光产生影像，由于底片分辨率的限制，因此一般认为照相物镜像差的公差可以比目视光学系统大得多。由于底片的质量差别很大，不同使用要求对物镜成像质量的高低要求不一。因此对照相物镜来说，很难找到一个统一的标准，作为制定像差公差的依据。长期以来照相物镜像差的公差问题一直没有完全解决。主要是通过现有产品的像差和新设计系统的像差进行比较，根据现有产品的成像质量来估计新设计系统的成像质量。这个方法看起来比较原始，但它是建立在实践基础上的，有较大的可靠性。长期以来为大多数人采用，目前它仍不失为一个重要手段。

从理论上来说，解决照相物镜的像质评价问题，应用光学传递函数是一个合理的途径，但是由于光学传递函数计算量比较大，而且它和系统结构参数之间的关系十分复杂，不容易找到它们之间的规律性，因此在设计过程中仍然主要采用几何像差对系统成像质量进行评价。当把几何像差校正到一定程度以后，计算它的光学传递函数，根据光学传递函数确定系统的成像质量是否满足使用要求。如果不满足则重新校正像差，把像差校正得更小，再计算传递函数，直到满足要求为止。因此，这里主要从几何像差出发来评定照相物镜的像质。

对于照相物镜像差的公差，随着它的设计和生产的不断发展，有很大的变化。由于新品种光学玻璃的不断出现和设计技术的不断改进，照相物镜像差校正的完善程度有很大的提高。因而也要求相应地提高物镜的质量。

不同用途照相物镜质量要求的差别很大。如高质量的航空摄影和卫星摄影用照相物镜要求接近理想成像，而普通廉价照相机的成像质量要求低得多。下面给出的是一般中等质量照相物镜像差公差的大致范围，仅供参考。

1）轴上球差的公差

目视光学系统球差的公差以波像差小于λ/4为像差公差的标准。对照相物镜来说波差小于λ/2，即可认为是一个高质量的设计，因此可以把波像差小于λ/2－λ作为照相物镜轴上球差公差的标准。根据焦深公式，可以得到相应的球差公差公式为

初级球差：

剩余球差：

表14.3为常用相对孔径对应的球差公差值。通常照相机是在较小孔径使用，使用最大孔径的机会比较少。另外相对孔径越大，像差校正越困难。因此表14.3中球差的公差值对特大相对孔径的物镜来说（例如相对孔径大于1∶2）还允许超过。

2）轴外单色像差的公差

照相幅面的形状一般为长方形或正方形，如图14.31所示。照相物镜的视场一般按对角线视场计算，图中的圆相当于0.7视场，整个画面的绝大部分面积已包含在0.7视场的圆内。因此评价照相物镜的轴外像差主要是在0.7视场内。0.7视场以外像质允许下降。

表14.3　常用相对孔径对应的球差公差

评价照相物镜的轴外像差，一般不按各种单项几何像差制定公差，而直接根据子午和弧矢垂轴像差曲线对轴外点进行综合评价。前面已给出了轴上点球差的公差，在评价轴外点的像差时，首先作出轴上点和轴外点的子午和弧矢垂轴像差曲线；然后，把轴上点的垂轴像差作为评价轴外点垂轴像差的标准，而且重点是考察0.7视场内的像差。

图14.31　照相机幅面的形状

对垂轴像差曲线一般从两方面考察：首先看它的最大像差值，它表示最大弥散范围；另一方面看光能是否集中，如果大部分光线的像差比较小，则光能比较集中，即使有少量光线像差比较大，也是允许的。轴外像点的像差虽然不可能要求校正得与轴上像点一样好，只要整个光束中有70％～80％的光线的像差与轴上点相当，就可以认为是较好的设计了。

子午光束可以用渐晕的方法来减小实际成像光束的像差；弧矢光束一般无法拦光，它的成像光束宽度和轴上点相同，因此弧矢垂轴像差一般比子午垂轴像差还要大些。通常要求代表弧矢慧差的δy＇曲线最大像差值应小于同一视场的子午垂轴像差，代表弧矢场曲和弧矢球差的δz＇曲线允许比同一视场的子午垂轴像差适当加大。

利用垂轴像差曲线评价像差时，还应考虑像面位移的影响。像面位移后的垂轴像差相当于把各视场的像差曲线对同一斜率的直线来计算垂轴像差。

3）色球差公差

照相物镜一般能把轴上点指定孔径光线的色差校正得比较好（例如0.707孔径的光线），但是色球差不可能完全校正。在不同型式的物镜中差别很大，例如在双高斯物镜中色球差很小，而在反摄远物镜中色球差比较大。通常要求由于色球差形成的近轴和边缘色差最好不超过边缘球差δL_m＇的公差。

4）垂轴色差

垂轴色差对成像质量影响较大，要求严格校正在0.7视场内垂轴色差尽可能不要超过0.01～0.02；边缘视场允许适当超出。

5）畸变

一般照相物镜要求畸变≤2％～3％。

以上像差公差的参考数据是针对一般照相机的物镜来说的，对特种用途的照相机应按具体使用要求确定。