用波像差评价光学系统的成像质量

（1）波像差

如果光学系统成像质量理想，则各种几何像差都等于零，由同一物点发出的全部光线均聚交于理想像点。根据光线和波面之间的对应关系，光线是波面的法线，波面是垂直于光线的曲面。因此在理想成像的情况下，对应的波面应该是一个以理想像点为中心的球面。如果光学系统成像不符合理想，存在几何像差，则对应的实际波面也不再是以理想像点为中心的球面，而是一个一定形状的曲面。我们把实际波面和理想波面之间的光程差作为衡量该像点质量的指标，称为波像差，如下图所示。

由于波面和光线存在互相垂直的关系，因此几何像差和波像差之间也存在着一定的对应关系。我们可以由波像差求出几何像差，也可以由几何像差求出波像差。

在一般光学设计软件中都具有计算波像差的功能，可以方便地计算出已知光学系统的波像差。

对像差比较小的光学系统，波像差比几何像差更能反映系统的成像质量。一般认为，如果最大波像差小于1/4波长，则实际光学系统的质量与理想光学系统没有显著差别，这是长期以来评价高质量光学系统的一个经验标准，称为瑞利标准。

在实际应用中，一般把主光线和像平面的交点作为理想球面波的球心，并使实际波面和理想波面在出瞳坐标原点重合，即出瞳坐标原点的波像差为零。

为了更确切地评价系统的质量，只根据整个波面上的最大波像差值是不够的，还必须知道瞳面内的波差分布，了解不同波差对应的波面面积。因此在有些光学设计软件中，需要输出波面的等高线图，或者整个波面的三维立体图，或打印出整个瞳面内的波差分布值。

上述波差显然只反映单色像点的成像清晰度，它不能反映成像的变形——畸变。如果要校正像的变形，仍利用前面的几何像差畸变进行校正。

对色差则采用不同颜色光的波面之间的光程差表示，称为波色差，用符号W_C表示。显然轴上的点代表几何像差中的轴向色差，而轴外点的W_C则既有轴向色差也有垂轴色差。

（2）斯特列尔比（Strehl Ratio）

光学系统有像差时，艾里斑占有的光强度比理想时的低。两者的强度比为斯特列尔比。，完美无像差时，S=1。

当斯特列尔比大于0.8时，可认为系统接近衍射极限，已经完善。

瑞利标准与斯特列尔比基本上是一致的。

（3）在ZEMAX中查看波像差

在ZEMAX中的Analyze中查看WavefrontMap，如下图：

此图是设定视场和波长的波像差三维分布图，下方图片中的数字给出了波像差的大小。

在Seidel Coefficients中查看Wavefront AberrationCoefficient Summary:

W040——球差，W131——慧差，W222——像散，W220P——匹兹凡场曲， W311——畸变
W020——轴向色离焦项，W111——轴向色倾斜，
W220S——弧矢场曲，W220M——平均场曲，W220T——子午场曲