然而,中学物理老师没有讲到的是,以上规律要想成立,还必须有一个重要的条件,那就是以上所说的平行光都是“近轴光”,即入射光线都必须在光轴附近。所以,通常把中学期间学的透镜叫做理想透镜。
如果入射的平行光离光轴太远,以上规律就不再成立。因此对于球面镜片制作的眼镜而言,不管镜片多大,真正有用的部分只有最中央的一小块区域。
如果你朝着球面眼镜的边缘看,非但看不清楚物体,而且眼中的呈现的物体的形状也会发生改变,起不到矫正视力的效果。
这也是文章最开始的图片中,球面镜片下边缘部位的网格出现模糊与扭曲的原因。
不过,好消息是,人眼瞳孔的尺寸很小,眼睛可转动的范围也不大,我们完全可以忽略非近轴光的影响。
因此即便球面镜片眼镜的可用范围较小,也是足够日常使用了。“非球面镜片”的必要性其实有待商榷。
非近轴光与像差虽然对于眼镜来说,非近轴光几乎可以忽略不计,但是它究竟会带来怎样的影响呢?这就要引入像差的概念。
像差是指受非近轴光的影响,透镜组成的光学系统无法完美成像的现象,具体包括球差、彗差、色差、像场不平等。其中,球差与彗差是影响眼镜性能的主要因素。
由于凸透镜的光路比较简单,我们不妨以球面远视眼镜的镜片为例,看看从不同位置入射的与光轴平行的平行光(正对透镜的平行光),最终会形成怎样的光路。
球差
从上面的动图我们可以看到,当近轴光平行光入射后,会完美地交于一点,这个点称为该透镜的焦点。
然而,当距离光轴比较远的非近轴光入射时,它们分别相交在了焦点的前后,无法会聚在同一个点上。
这就意味着当我们用球面透镜成像或矫正视力时,无法最终获得一个清晰的图像,无论怎么调整,图像都会存在或多或少的模糊,这便是球差。
彗差与球差类似,同样是平行光入射球面透镜后无法完美会聚在一点的现象,不过这里的平行光指的是不与光轴平行的平行光,也就是斜着入射的平行光。
彗差
正如上图所示,对于球面透镜而言,从不同位置射入透镜的平行光最终会聚到了不同的位置,离光轴较近的光线基本上可以会聚在一块较小的区域,几乎可以看作一个点,离光轴较远的光线则会聚在别处。
最后,穿过透镜的光线会在光屏上形成一个带有尖状突起的光斑,类似彗星的形状,“彗差”也因此而得名。
相机内的光学系统也是由一系列透镜组成,如果相机中选用的是球面镜,光路设计也存在缺陷的话,相机在拍摄时就会产生彗差现象。