像差的概念

人眼的功能就是“看”。所谓“看见”什么物体，就是指由该物体发出的光，或是由外界照射到物体上反射出来的光，经过眼球这个“光学系统”后会聚到视网膜上所产生的感觉。人眼是自然界赋予我们的一种优质高效的光学系统，而人工制造的各种光学设备，例如照相机、摄像机、显微镜、望远镜等则都是为达到特定目的而设计和生产的光学观测类产品。

一切光学设备从根本上说，都是使物体（光源）射出的光，通过某一由各类透镜（如凹透镜、凸透镜以及它们的适当组合）和反射镜等组成的光学系统，在适当的位置进行成像，并用某种方法（如用照相底片、CCD等）记录下来。而在设计光学系统时，多数情况下采用的是几何光学方法。几何光学中最基本的原理和方法就是光线的反射和折射等，这些在中学物理课程中已有所介绍并为广大眼科医生所熟知。但是，对于光学仪器的研究、设计和生产人员，仅有几何光学的知识还远远不够，还必须在此基础上进一步提高。

中学所学习的几何光学，实际上是提出了一种理想状态下的光学系统，系统中的光学元件，如透镜、反射镜等的镜面都可看作是旋转对称的球面，（平面镜则相当于曲率半径为无限大的球面镜），设置时使它们有共同的对称轴，这就是系统的主光轴（也称主轴或光轴）。在几何光学适用的范围内，理想的光学系统能够产生与所要观察的物体完全相似的清晰的像。

但是，现实世界里的光学系统不可能是完全“理想”的，其所形成的像与原物体之间也不会完全相似或者说是达到严格意义上的清晰，也就是说，和理想状态总有或多或少的偏离。但如果我们把研究的范围限制在光线与光轴之间的夹角θ很小的区域（称所谓的近轴区）内，这时，具有共同对称轴的光学系统在用单色光成像时，就会和理想的光学系统十分接近，它们之间的差异在许多情况下是可以忽略的。所谓“夹角θ很小”在实用中是指当θ足够小时，θ和sinθ的值近似相等，此时可以相互代替。

研究光学系统在近轴区内成像规律的学问，称为近轴光学。近轴光学的一个重要分支称为高斯光学。这是因为它的主要理论是由德国科学家高斯（C.F.Gauss）于1841年完成的。它通常只讨论对某一轴线（即光轴）具有旋转对称性的光学系统。如果从物点发出的所有光线经光学系统以后都交于一点，则称此点为物点的完善像。

尽管利用光学系统的近轴区可以获得完善的成像，但是没有什么实用价值。因为，近轴区只有很小的孔径（即成像光束的孔径角）和很小的视场（即成像范围），而光学系统的功能，包括对物体细节的分辨能力、对光能量的传递能力以及传递光学信息的多少等等，正好是被这两个因素所决定的。

在许多情况下，从各个物点所发出的光线不能够都看作在近轴区内，此时θ角比较大，就不能再看作与sinθ近似相等了。这时，成像的质量会逐渐下降。这是因为自然点发出的光束中，远离近轴区的那些光线在系统中的传播光路偏离了理想途径，而不再相交于高斯像点（即理想像点），这时，一点的像不再是一个点，而是一个模糊的弥散斑，物平面的像不再是一个物平面，而是一个曲面，而且像相对于物还失去了相似性。这种成像与原来物体不再准确相似的现象就称之为出现了像差（Aberration）。像差愈大，表示成像的质量愈差。在光学设计过程中，要具体分析出现的是哪几种像差及其产生的原因，并寻找适当的方法使各种像差得到一定程度的校正，从而使其满足设计的要求。同样，对于人眼来说，要想获得良好的视觉质量，也要尽量减小或消除所存在的像差，以提高成像的清晰度和准确度。