我們在設(shè)計成像系統(tǒng)時，最重要的理論依據(jù)就是像差理論。雖然現(xiàn)在計算機使光線追跡變得異常輕松，各種光學(xué)設(shè)計軟件也不斷嘗試實現(xiàn)自動優(yōu)化，但是目前為止，我們在設(shè)計鏡頭時，還是必須以像差理論為指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)決定像差，像差限制性能，因此我們需要在選擇初始結(jié)構(gòu)時就要評估它的限制在哪里，從而尋找到一個好的初始結(jié)構(gòu)；在設(shè)計過程中，只有了解像差的存在狀況后，才能對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行有針對性的修改，并根據(jù)效果確定修改是否合適，這樣不斷的去調(diào)整最終。這個工作就是我們在光學(xué)設(shè)計中的任務(wù)。

對于未校正系統(tǒng)，初級像差往往很大，這時候初級像差系數(shù)就非常有用。以前的設(shè)計師用初級像差來確定初始結(jié)構(gòu)，得益于時代進步，我們現(xiàn)在一般可以跳過這個步驟，直接選擇現(xiàn)存的初始結(jié)構(gòu)，這樣我們的精力就可以放在像差的校正上。幾乎所有的成像設(shè)計軟件都可以把初級像差作為操作數(shù)加入到優(yōu)化函數(shù)中，結(jié)合光線追跡，我們可以迅速進行系統(tǒng)的優(yōu)化。

但是，不幸的是，目前這些軟件的自動優(yōu)化功能還沒有先進到讓我們在喝茶聊天的時候就完成設(shè)計，所以仍然需要我們?nèi)グl(fā)揮自己的聰明才智。我們必須不停的問自己，優(yōu)化為什么停止了，到底是什么限制了進一步優(yōu)化，我該怎么去修改結(jié)構(gòu)參數(shù)和優(yōu)化函數(shù)。在跟這些問題日積月累的斗爭中，我們才不斷刷高自己的經(jīng)驗值。一般來講，當(dāng)你的優(yōu)化難以繼續(xù)的時候，主要是因為是系統(tǒng)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)走到了盡頭，當(dāng)然也可能是優(yōu)化函數(shù)不合理需要修改。我們主要討論前者，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了高級像差，而高級像差一般很懶，不怎么變動，我們知道光學(xué)設(shè)計的主要原理就是像差平衡：低級像差和高級像差之間的平衡、不同像差之間的平衡。所以殘留像差很大且難以降低，很可能就是高級像差太大無法平衡所致。現(xiàn)在這些軟件一般不提供高級像差分析，所以我們很頭疼啊，高級像差它到底是什么樣子啊，是由哪部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的啊。這個問題，我們迫切需要知道。 我們不如來看看那些光學(xué)系統(tǒng)的高級像差到底是什么樣子的，這里以球差為例，嘗試分析幾種光學(xué)系統(tǒng)的高級球差分布。

案例1：Cooke與Tessar高級球差對比分析

案例2：兩個20X顯微物鏡的高級球差對比分析

案例3：兩種不同結(jié)構(gòu)雙高斯物鏡的高級球差對比

案例4：大孔徑物鏡的高級球差特征當(dāng)物鏡的F數(shù)變小時，高級像差迅速增長，從而限制了F數(shù)的減小。下面以兩個系統(tǒng)的對比來說明

總結(jié)：在選擇初始結(jié)構(gòu)和深入校正像差時，我們都需要精確地知道像差的實際分布情況和像差校正的極限以作為參考。一般來說，像差校正受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或者說是高級像差的限制，對于結(jié)構(gòu)的限制我們往往無法快速直接準(zhǔn)確地看出來，因此計算出高級像差就成為了最佳選擇。作為最基本的像差，高級球差曲線的繪制，是十分必要的。而把高級球差作為操作數(shù)加入到優(yōu)化函數(shù)中，對鏡頭設(shè)計的效率和質(zhì)量會有很大的提升。