与球面光学元件比较,非球面能在简化系统外形、降低系统成本的同时使系统轻质化,且能很好地校正光传递过程中产生的像差。本文针对非球面校正球差时产生新的像差问题,致力于球面透镜的像差特性分析与理论校正研究。引入了一种同时消除像散、场曲和球差的优化设计方法,研究了单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律,优化了透镜系统整体的成像质量。本文主要研究内容和结果如下:(1)基于像差理论分析了各像差包括正弦差、球差、色差、彗差、像散与场曲以及畸变等的产生机理及校正方法。通过研究光学成像原理,发现了球差存在的根本原因是由透镜的球面折射使平行光束不能聚焦于一点所致,并基于像差理论提出利用非球面来校正球差的设计思想;(2)通过对球面透镜系统初始结构的分析,引入一种同时校正像散、场曲和球差的非球面光学系统像差校正理论,解决了以往设计中因非球面校正球差时引入新的像差而对系统整体像质产生影响的问题;(3)实现了完整非球面消球差透镜系统的优化设计,在此基础上对多种适应光学系统像质评价方法包括分辨率、点列图、瑞利判断、斯托列尔(中心点亮度)判断以及光学传递函数等进行了研究,并根据系统结构构建了本透镜系统的像质评价标准;(4)评定了系统优化前后的像质,并对单个非球面透镜优化设计前后系统的各像差及整体成像质量的变化规律进行研究,经仿真对比分析球面透镜和非球面透镜点列图、MTF曲线、场曲和畸变以及赛德尔系数图,发现非球面优化后系统的像散、场曲及球差大幅减小。经验证所得非球面透镜系统结构简单、成像质量优良,满足技术要求。本文提出的方法能够在像散、场曲较小的情况下,消除球面透镜系统存在的球差,所提方法切实可行,可为进一步实现复杂的光学系统设计提供理论技术支撑。