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撰稿人是孟庆宇，其来自中科院长春光机所，还有戚允升，他同样来自中科院长春光机所，并且是硕士研究生。
审稿专家：焦述铭（鹏城实验室）
在很早很早以前的时候，古埃及人以及美索不达米亚人早就已经知道，要去把那个石英晶体磨平弄光，从而制成透镜，而这些透镜呢，很有可能是被用于放大影像或者聚焦阳光的。
17世纪中叶的时候，科学界开启了关于光的本质的论战，也就是光的波动学说与光的微粒学说之间的论战，这场论战一直持续着，一直进行到19世纪中叶。荷兰的物理学家惠更斯是光的波动学说的创立者，英国伟大科学家牛顿是光的微粒学说的倡导者。光学发展史上这场长达200多年的论战，把光学引上了发展的道路，让人类在论战当中揭开了光学的层层面纱，认清了它的本质。
图1：光的色散实验（来源：维基图库）
论战的时候，牛顿做了个实验，让太阳光穿过三棱镜，在三棱镜后的屏幕那里，太阳光也就是白光折射成为了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫是连续光谱的彩色光带，这就是知名的牛顿色散实验，牛顿色散实验的本质，是光的折射现象，光的折射是因光从一种介质传播到不同介质时，传播方向有变移这样的现象，如图2来呈现，我们日常生活里杯子中“断掉”的铅笔、渔民用鱼叉捕鱼要瞄准所看到鱼的下方，都是因光的折射才得以导致的。光发生折射时，同一种介质，对不同颜色光高中物理光的色散，偏折能力不一样，进而致使彩色光带出现。
做了棱镜色散实验后，牛顿得出了没办法用玻璃透镜消除色差的错误结论，得出这个结论时牛顿太匆忙了，现在看这个结论肯定不正确。
图2：光的折射（来源：维基图库）
那么究竟什么是色差？
如图3所示，绝大多数光学玻璃，对红光偏折能力是弱的，对蓝紫光偏折能力是强的，也就是对红光折射率是低的，对蓝紫光折射率是高的。用有着色差的显微镜去观察细胞时，观察到的细胞呈现出一种现象，这种现象是外圈呈红色、中心呈蓝绿等。这就是我们要说的色差（）。
图3：单透镜所产生的色差（来源：维基图库）
倘若由光学玻璃构成的透射式光学系统，也就是透镜镜头，存在色差，那么，成像品质将会大幅降低。就像这张白花照片，镜头的色差致使拍摄出的花瓣边缘出现了显著的“彩虹带”现象。
数百年间，科学家历经对色差的发现，又有对色差的理解，还存在对色差的校正，直至今日，它仍旧是光学领域里的研究问题当中的一个，于此期间，这当中还产生了一些经典的故事。
图4：色差对成像效果的影响（来源：维基图库）
望远镜属于最早现身的光学仪器当中的一个，它的进步贯穿了光学范畴的发展，这其中自然也涵盖了人们针对色差的探究。在17世纪以及18世纪早期的时候，望远镜因为单一透镜折光特性不均匀，色差现象广泛存在着。那个时期的望远镜制造者发觉，焦距很长的物镜成像质量比较好，所以在望远镜前行的早期阶段，制造者老是尽可能去加大透镜的焦距。然而却没有人能够确切表明长焦望远镜成像质量好的缘由是降低了色差。
图5：早期的折射式天文望远镜（来源：维基图库）
而在1666年进行棱镜色散试验后，牛顿因发现白光是由多种色光组成的理论，从而得出结论，不同色光的折射率不同乃是导致产生色差的原因。这不仅是光学理论的根本进步高中物理光的色散，还提供了对色差的正确解释。然而，牛顿得出结论过于仓促，全部玻璃材料的折射和色散都是通过相同的线性函数相联系，所以得到了透镜色差无法被校正的错误结论。相比较而言，反射镜不存在对不同波长光线具有不同折射率的问题，当时被当作是避免色差的唯一途径。正因为牛顿出现了错误，所以才促使了第一台反射式望远镜诞生，这台反射式望远镜能够与当时折射式望远镜的性能相媲美。
图6，牛顿于1672年所使用的6英寸反射望远镜，这是复制品，其来源为维基图库。
因牛顿于科学界所取得的成就以及所享有的极高声誉，其错误的结论对折射式望远镜在后续长达50年的时间里的进一步发展形成了阻碍，一直到十八世纪的时候，消色差物镜才得以诞生。
就消色差透镜的诞生进行介绍，那就必须得先介绍两种类型的 光学玻璃，最早的时候，光学玻璃是依据氧化铅的含量来划分的，被划分成了冕牌玻璃和火石玻璃，含量低于3%的那种被定为冕牌玻璃，含量 高于3%的那种被定为火石玻璃。之后呢，因为玻璃种类变多，划分方式改了一流范文网，改用折射率和色散系数来划分，冕牌玻璃的折射率 通常是小于1.6的，它的色散系数（也被称作阿贝数，数值情况是越大，色散就越小）是大于50的，火石玻璃呢，则恰恰相反。
图7：玻璃阿贝图（来源：维基图库）
1695年，数学家格里高利（James）有个侄子叫大卫·格里高利（David），他基于人眼观察时候不存在色差，且人眼结构能类比于透镜结构这两点，对牛顿的理论产生了质疑。1729年，英国律师与发明家切斯特·摩尔·霍尔（ Moor Hall）提出了消色差双合透镜的基本理论，他发现做工艺品用的火石玻璃和做透镜的冕牌玻璃，它们对于光线的折射特性不一样。用冕牌玻璃去做成使光会聚的凸透镜的情况，用火石玻璃来制成让光发散的凹透镜的情形，能够将色差于一段特定的波长范围以内达成有效降低的效果，其原理就如同图6所展示的那样。霍尔在伦敦的配镜师那里制作了一些这般的透镜 , 1733年的时候，第一架直径为65mm、焦距是500mm的消色差透射式望远镜出现了。随后到了1750年的时候 , 英国的配镜师约翰·唐纳德（John）察觉到了透镜组消色差的可能性 , 开展了一系列的试验 ; 并且在1758年的时候获得了英国皇家学会颁发的科普利奖章。
图8：消色差透镜（来源：维基图库）
光学显微镜和望远镜发展里，消色差透镜的应用是极为重要的一项进步。现在，各类常用的照相设备在镜头设计进程中，色差校正是否完善是关键的考核指标，色差表现也在一定程度上决定着镜头的价格。较为常见的例子是，某些镜头于产品介绍时表明采用了萤石（CaF₂）透镜设计，具备良好的色差校正品质，这是因萤石的色散较低，其其他物理参数也致使该材料制造的透镜更利于色差校正，且萤石价格相对较贵，所以这种消色差镜头的价格也就更为昂贵。
图9展示了，未消色差的图像，与使用消色差相机镜头得到的图像，二者之间的对比，此来源为维基图库。
由于像差理论得以发展并趋于完善，光学玻璃种类变得丰富起来，计算机辅助设计技术得到普及，消色差光学系统在设计以及实现方面有了极为显著的进步，消色差透镜已然到处都能见到，小到手机镜头、相机镜头、投影仪、便携式望远镜，大到天文望远镜。
眼下，消色差技术并非仅仅被限制于消色差透镜组，二元光学元件，超透镜等新的技术，在色差校正里也充分展现出自身的能力。
有这样一种元件，它叫二元光学元件，其工作原理是基于光的衍射，它借助计算机辅助设计，还采用超大规模集成电路制造工艺，在光学元件的表面刻蚀出不同台阶深度的浮雕结构，进而形成具有极高衍射效率的衍射光学元件。它和普通透镜不一样，二元光学透镜的焦距与波长成反比，而且色散得到的彩带顺序也和相同材料的透镜相反。如此一来，光学系统可以运用引入二元光学元件的办法来消除色差。
图10：菲涅尔透镜示意图（来源：维基图库）
超透镜，是一种二维平面透镜结构，它由大量微型单元在二维平面上依照一定方式进行排布而形成，它的体积极其微小，重量很轻，易于进行集成，能够实现对入射光束各类属性的灵活调控，借此达成消色差的目的。
图11，那是超透镜的示意图，其相关内容在（28, 26041 - 26055 (2020)）中。
当下，普通需求的影像，不再受色差困扰，拍摄到的影像更加丰富真实，这得益于色差理论的发展，尽管其发展过程一波三折。看完上述内容，你对色差有了解吗？
监制：赵阳