光学系统轴向色差与垂轴色差测量：两种"颜色跑偏"的定量表征

色差是折射式光学系统与生俱来的像差，也是镜头成像质量评价中最直观、最常被客户关注的指标之一。轴向色差与垂轴色差本质不同、成因各异，测量方法也因此分道扬镳。

一、两种色差：先分清"前后"与"左右"

光学玻璃的折射率随波长变化（色散），导致不同颜色的光成像位置和大小不同。按表现方式，色差分两类：

• 轴向色差（纵向色差，LCA）：不同波长的光沿光轴方向聚焦在不同位置。蓝光焦点靠前、红光焦点靠后，表现为轴上像点周围出现彩色光晕。衡量单位是焦点位置的轴向位移量（μm 或 mm）。

• 垂轴色差（倍率色差，TCA）：不同波长的光成像放大率不同，导致像高随波长变化，表现为像面边缘的彩色镶边。衡量单位是像高差（μm）或角偏差。

一句话区分：轴向色差是"焦点前后跑"，垂轴色差是"像点里外跑"。轴上点只存在轴向色差，轴外点两者兼有。

二、轴向色差的测量

轴向色差最经典的测量思路是：分别测出不同波长下的最佳焦点（或后焦距），求其位置差。常用方法：

• 焦平面扫描法：用多个窄带滤光片（如 F、d、C 线）分别照明，沿光轴扫描探测器或显微物镜，找各波长的最佳像面位置，位置差即为轴向色差。

• 传函测量法：对不同波长分别测量其轴向 MTF 峰值位置，峰值位置的轴向偏移即轴向色差。这是最贴合实际成像的评价方式。

• 波前法：用干涉仪测各波长的波前，从 Zernike 离焦项的波长依赖中解算出轴向色差。

对于以 d 光（587.6nm）为基准、F 光（486.1nm）与 C 光（656.3nm）为端点的系统，轴向色差可表示为：

LCA = z_F − z_C

其中 z_F、z_C 分别为 F、C 光的最佳焦点轴向位置。该值除以系统 F 数，可换算成波前离焦，便于与 λ/4 瑞利判据比较。

三、垂轴色差的测量

垂轴色差测量需在轴外视场进行，思路是测不同波长下同一视场点的像高差：

• 像高差法：在已知视场角位置放置十字丝或针孔靶标，用不同窄带滤光片成像，测各波长像高 y(λ)，垂轴色差即像高差 Δy = y_F − y_C。

• 点扩散函数法：测轴外点各波长的点扩散函数质心位置偏移，得到垂轴色差。

• 角偏差法：用自准直或测角方式，直接测不同波长主光线的出射角差。

垂轴色差与视场角近似成正比，因此常在最大视场处评价。其像高差可换算为角分辨：

TCA(角) = Δy / f′

其中 f′ 为系统焦距，Δy 为像高差。

四、色差的判读与验收

五、传函仪在色差评价中的角色

色差的最终后果是降低多色成像的 MTF。因此，用传函仪在不同波长、不同视场下测量 MTF，再比较其峰值位置与曲线差异，是色差评价最接近真实使用的方式。ImageMaster 系列传函仪支持多波长（含 F/d/C 及红外波段）切换与轴向/离轴 MTF 测量，可自动定位各波长最佳焦点、输出轴向色差与垂轴色差的量化结果，把"颜色跑偏"从主观判断变成可出具报告的客观数据，满足现代镜头研发与量产质控的需求。

小结：轴向色差看焦点前后位移，垂轴色差看像高里外偏移。两者成因不同、测量方法不同，但都最终影响多色成像 MTF。用传函仪做多波长 MTF 测量，是同时评价两类色差、贴近真实成像的综合手段。

色差测量，用多波长 MTF 说话

ImageMaster 系列传函仪支持可见光与红外多波长、多视场 MTF 测量，可自动求取各波长最佳焦点，量化输出轴向色差与垂轴色差，为镜头设计验证与量产验收提供可追溯的客观数据。如需了解具体配置，欢迎联系欧光科技。