几何光学像差校正—单色像差
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几何光学像差校正
在光学入门书籍中，常有简单明了的成像模型，描述一个发光物体经过凸透镜后形成倒立实像。但实际成像过程远比模型复杂。理想情况下，点光源经过光学系统后，所有光线会汇聚至同一焦点，形成点像。然而，由于光学系统产生的像差，导致点光源成像时，不同孔径角和视场角的光线无法汇聚于一点，形成弥散斑。
单色像差共有五种：球差、慧差、像散、场曲和畸变。球差是轴上物点发出光线在像方截距不同所导致的像差，是孔径角或入射高度的函数；慧差是轴外物点发出对称于主光线的光线在像方失去对称性所引起的像差；像散是轴外物点发出光线，子午光线和弧矢光线在像方会聚点不一致所导致的像差；场曲为像面弯曲，是平面波经过球面系统所带来的一种像差；畸变则是在轴外视场的主光线通过光学系统后，与高斯像面的交点高度不等于理想像高的像差。
球差可通过正负透镜组合校正，正负透镜的组合能够使某个孔径带的球差为零，但其他孔径带仍存在剩余球差。球差的校正方式之一是利用齐明点的特性，设计齐明透镜增大孔径角，应用于准直照明和显微物镜。
慧差是针对轴外光束的像差，其分布系数为，可通过调整入射光线位置或采用对称式结构来校正。像散校正与球差类似，其校正方式包括调整光阑位置和保持光阑位于球心处。场曲可通过保持透镜弯曲方向和曲率来减小，确保像面弯曲保持为匹兹伐场曲。畸变可通过在镜头前端添加弯月型正透镜来改善，降低光学系统的畸变。
为了进一步校正像差，光学设计中采用了一系列技术，包括球差、慧差、像散、场曲和畸变的校正方法。这些方法包括调整光阑位置、使用齐明点特性、保持光阑位于球心、保持主光线与辅轴重合、使用非球面透镜和采用对称式结构等。这些技术的运用使得光学系统在成像时能够减少像差，提高成像质量。
以DUV光刻机镜头为例，其设计包含10个非球面透镜，从透镜材料、光学设计、超高面型精度镜片加工、测量与装配工艺等方面严格校正像差，展示了几何光学像差校正的巅峰之作。
