15、激光扫描光学系统的像差与设计要求

激光扫描光学系统的像差与设计要求

1. 光学像差概述

在激光扫描的光学系统中，存在多种像差，这些像差会对成像质量产生不同程度的影响。常见的像差包括球差、彗差和像散。

1.1 球差、彗差和像散

• 球差 ：集体表面通常会引入负球差，但在特定区域，当轴向光线会聚到表面曲率中心和等光程点之间的位置时，集体表面会引入正球差。而色散表面总是引入正球差。为了校正球差，需要色散表面来抵消集体表面的欠校正。
• 彗差 ：彗差的正负取决于主光线的入射角。在扫描透镜中，由于光阑位于透镜前方，很难将彗差校正到零。
• 像散 ：子午面内的光线聚焦形成切向焦线，与子午面垂直的平面内的光线聚焦形成矢状焦线，两者位置不同。在两个焦点位置的中间，图像是一个圆形模糊，其直径与透镜的数值孔径和焦线之间的距离成正比。三阶理论表明，切向焦点位置到佩兹瓦尔面的距离是矢状焦点的三倍。像散和佩兹瓦尔场曲都与视场的平方成正比增加，随着视场（扫描长度）的增加，它们比彗差更难校正。

1.2 畸变

畸变是实际主光线与其对应的近轴参考点（像高(Y = F * tan B)）的位移度量，与(f)数无关。畸变不会导致图像模糊，也不会降低图像质量的任何度量（如MTF）。在无像差设计中，能量集中的中心在主光线上。主光线相对于近轴像高的三阶位移随像高的立方变化，畸变百分比随像高的平方变化。为了满足(F - \theta)条件，畸变必须为负。当图像存在彗差时，主光线的位置可能不能代表图像中能量的最佳集中位置，这使得扫描线性度