114年:視覺光學
下列那些是針對在可見光黃光589 nm的點光源下可能產生的像差（aberration ）？①側向色像差（lateral chromatic aberration ） ②縱向色像差（longitudinal chromatic aberration ） ③彗星像差（coma） ④縱向球面像差（longitudinal spherical aberration ）
A①②
B①③
C②③
D③④
詳細解析
本題觀念：
本題考查單色光（黃光 589 nm）點光源下可能產生的像差類型。關鍵是區分色像差(chromatic aberration)與單色像差(monochromatic aberrations)：
- 色像差（chromatic aberration）：由不同波長光線折射率不同所造成，只有在多波長（複色光）光源下才會產生。589 nm 是單一波長，不存在色像差。
- 單色像差（monochromatic aberrations）：即使在單一波長下也會發生，包括球面像差(spherical aberration)、彗星像差(coma)、像散(astigmatism)、場曲(field curvature)、畸變(distortion)。
589 nm 黃光是鈉 D 線（Fraunhofer d line），為標準光學設計的參考波長，但它仍是單一波長，因此：
| 像差類型 | 在 589 nm 下是否存在 |
|---|---|
| ①側向色像差(lateral chromatic aberration) | 不存在（需多波長） |
| ②縱向色像差(longitudinal chromatic aberration) | 不存在（需多波長） |
| ③彗星像差(coma) | 存在（單色像差） |
| ④縱向球面像差(longitudinal spherical aberration) | 存在（單色像差） |
選項分析
(A) ①② — 側向與縱向色像差都需要多波長光源，589 nm 單色光下均不存在。❌
(B) ①③ — 側向色像差不存在（需多波長），此組合錯誤。❌
(C) ②③ — 縱向色像差不存在（需多波長），此組合錯誤。❌
(D) ③④ — 彗星像差與縱向球面像差均為單色像差，在 589 nm 單色點光源下確實存在。✅
答案解析
黃光 589 nm 是鈉 D 線，為單一波長的單色光。
色像差的物理本質：色像差（lateral 與 longitudinal 兩種）均源自於不同波長的光在鏡片材料中有不同折射率（色散），導致不同顏色的光焦點位置不同。既然 589 nm 是唯一一個波長，沒有「其他波長」可以分散，故側向色像差（①）與縱向色像差（②）均不可能產生。
球面像差的物理本質：球面鏡片的周邊光線與近軸光線折射後匯聚點不同（周邊光線焦點更近），此現象與波長無關，即使是單色光也存在。縱向球面像差（④）即是指沿光軸方向的焦點偏移，是球面像差的縱向分量。
彗星像差(coma)的物理本質：彗星像差發生在點光源偏離光軸時，不同光線帶（zone）在像平面上的放大率不一致，形成彗星形狀的彌散斑。此現象同樣與波長無關，單色光下也存在。
因此，在 589 nm 點光源下可能產生的像差為③彗星像差 + ④縱向球面像差（答案 D）。
核心知識點
- 色像差（側向/縱向）= 多波長光才會產生，與色散(dispersion)有關
- 單色像差（球面像差、彗星像差、像散、場曲、畸變）= 單一波長下也存在
- 589 nm（鈉黃光）是標準光學設計波長，但仍是單色光
- 縱向球面像差(longitudinal spherical aberration)：不同光線帶在光軸方向的焦點偏移量
- 彗星像差(coma)：點光源偏離光軸時，像平面上出現彗星形狀彌散斑