初級(jí)像差深入

近軸光線(xiàn)和遠(yuǎn)軸光線(xiàn)的概念。

近軸光線(xiàn)和遠(yuǎn)軸光線(xiàn)都是指與光軸平行的光線(xiàn)，它們都成像在光軸上（下圖中畫(huà)的是主光軸情況）。縮小的光圈可以攔去遠(yuǎn)軸光線(xiàn)，而由近軸光線(xiàn)來(lái)成像。

總的來(lái)說(shuō)，鏡頭的像差可以分成兩大類(lèi)，即單色像差及色差。鏡頭的單色像差五種，它們分別是影響成像清晰度的球差、彗差、象散、場(chǎng)曲，以及影響物象相似度的畸變。

以下就分別介紹五種不同性質(zhì)的單色像差：

球差

是由于鏡頭的透鏡球面上各點(diǎn)的聚光能力不同而引起的。從無(wú)窮遠(yuǎn)處來(lái)的平行光線(xiàn)在理論上應(yīng)該會(huì)聚在焦點(diǎn)上。但是由于近軸光線(xiàn)與遠(yuǎn)軸光線(xiàn)的會(huì)聚點(diǎn)并不一致，會(huì)聚光線(xiàn)并不是形成一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)以光軸為中心對(duì)稱(chēng)的彌散圓，這種像差就稱(chēng)為球差。球差的存在引起了成像的模糊，而從下圖可以看出，這種模糊是與光圈的大小有關(guān)的。

小光圈時(shí)，由于光闌擋去了遠(yuǎn)軸光線(xiàn)，彌散圓的直徑就小，圖像就會(huì)清晰。大光圈時(shí)彌散圓直徑就大，圖像就會(huì)比較模糊。

必須注意，這種由球差引起的圖像模糊與景深中的模糊完全是兩會(huì)事，不可以混為一談的。球差可以通過(guò)復(fù)合透鏡或者非球面鏡等辦法在最大限度下消除的。在照相鏡頭中，光圈(孔徑)數(shù)增加一檔（光孔縮小一檔），球差就縮小一半。我們?cè)谂臄z時(shí)，只要光線(xiàn)條件允許，可以考慮使用較小的光圈(孔徑)來(lái)減小球差的影響。

彗差

是在軸外成像時(shí)產(chǎn)生的一種像差。從光軸外的某一點(diǎn)向鏡頭發(fā)出一束平行光線(xiàn)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，在像平面上并不是成一個(gè)點(diǎn)的像，而是形成不對(duì)稱(chēng)的彌散光斑，這種彌散光斑的形狀象彗星，從中心到邊緣拖著一個(gè)由細(xì)到粗的尾巴，首端明亮、清晰，尾端寬大、暗淡、模糊。這種軸外光束引起的像差就稱(chēng)為彗差。彗差的大小既與光圈(孔徑)有關(guān)，也與視場(chǎng)有關(guān)。我們?cè)谂臄z時(shí)也可以采取適當(dāng)采用較小的光圈(孔徑)來(lái)減少彗差對(duì)成象的影響。

像散

也是一種軸外像差。與彗差不同，像散僅僅與視場(chǎng)有關(guān)。由于軸外光束的不對(duì)稱(chēng)性，使得軸外點(diǎn)的子午細(xì)光束（即鏡頭的直徑方向）的會(huì)聚點(diǎn)與弧矢細(xì)光束（鏡頭的園弧方向）的會(huì)聚點(diǎn)位置不同，這種現(xiàn)象稱(chēng)為象散。像散可以對(duì)照眼睛的散光來(lái)理解。帶有散光的眼睛，實(shí)際上是在兩個(gè)方向上的晶狀體曲率不一致，造成看到的點(diǎn)彌散成了一條短線(xiàn)。

象散也使得軸外成像的像質(zhì)大大地下降。像散的大小只與視場(chǎng)角有關(guān)，與孔徑是沒(méi)有關(guān)系的。即使光圈開(kāi)得很小，在子午和弧矢方向仍然無(wú)法同時(shí)獲得非常清晰的像。在廣角鏡頭中，由于視場(chǎng)角比較大，像散現(xiàn)象就比較明顯。我們?cè)谂臄z的時(shí)候應(yīng)該盡量使被攝體處于畫(huà)面的中心。這好象與構(gòu)圖要求不把主要表現(xiàn)對(duì)象放在圖面正中央有些沖突，如何掌握就要看實(shí)際情況了。

場(chǎng)曲

當(dāng)拍攝垂直于光軸的平面上的物時(shí)，經(jīng)過(guò)鏡頭所成的像并不在一個(gè)像平面內(nèi)，而是在以光軸為對(duì)稱(chēng)的一個(gè)彎曲表面上，這種成像的缺陷就是場(chǎng)曲。場(chǎng)曲是一種與孔徑無(wú)關(guān)的像差?？繙p小光圈(孔徑)并不能改善因場(chǎng)曲帶來(lái)的模糊。

用存在場(chǎng)曲的鏡頭拍照時(shí)，當(dāng)調(diào)焦至畫(huà)面中央處影象清晰，畫(huà)面四周影象就模糊；而當(dāng)調(diào)焦至畫(huà)面四周影象清晰時(shí)，畫(huà)面中央處的影象又開(kāi)始模糊，無(wú)法在平直的象平面上獲得中心與四周都清晰的象。

因此在某些專(zhuān)用照相機(jī)中，故意將底片處于弧形位置，以減少場(chǎng)曲的影響。由于廣角鏡頭的場(chǎng)曲比一般鏡頭大，在拍團(tuán)體照（經(jīng)常使用廣角鏡頭）時(shí)采用略帶圓弧形的站位排列，就是為了提高邊緣視場(chǎng)的象質(zhì)。

畸變

是指物所成的像在形狀上的變形。畸變并不會(huì)影響像的清晰度，而只影響像與物的相似性。由于畸變的存在，物方的一條直線(xiàn)在像方就變成了一條曲線(xiàn)，造成像的失真?；兛煞譃檎硇突兒屯靶突儍煞N。造成畸變的根本原因是鏡頭像場(chǎng)中央?yún)^(qū)的橫向放大率與邊緣區(qū)的橫向放大率不一致。如下圖所示，如果邊緣放大率大于中央放大率就產(chǎn)生枕型畸變，反之，則產(chǎn)生桶型畸變。

畸變與鏡頭的光圈F數(shù)大小無(wú)關(guān)，只與鏡頭的視場(chǎng)有關(guān)。因此，廣角鏡頭的畸變一般都大于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭或長(zhǎng)焦鏡頭。無(wú)論是哪一種鏡頭，哪一種畸變，縮小光圈(孔徑)并都不能改善畸變。

特別要注意鏡頭的畸變像差與透視畸變的并不是一會(huì)事。鏡頭的畸變是鏡頭成像造成的，在設(shè)計(jì)鏡頭時(shí)可以采取各種手段（如非球面鏡）來(lái)減小畸變。透視畸變是由視點(diǎn)、視角、鏡頭指向（俯仰）等因素決定的，這是透視的規(guī)律。無(wú)論是何種鏡頭，如果視點(diǎn)相同，視角相同，鏡頭指向相同的話(huà)，產(chǎn)生的透視畸變是相同的。

下圖中左邊是枕型畸變（屬鏡頭畸變），右邊是廣角畸變（屬透視畸變），大家可以看出兩者之間的區(qū)別。鏡頭畸變一般是很小的，圖中的畸變是我PS出來(lái)的。如果拍照片有這樣大的畸變，相機(jī)就應(yīng)該丟到垃圾桶里去了。

最后再說(shuō)一說(shuō)色差。由于我們拍攝的景物基本上都是彩色的（除了翻拍黑白文件稿等少數(shù)情況），可鏡頭的成像是白光成像。我們知道白光是由各種不同波長(zhǎng)的單色光組成的。而介質(zhì)的的折射率是與波長(zhǎng)有關(guān)的，因此成像時(shí)不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)會(huì)有差異，使得物上的點(diǎn)成像后產(chǎn)生色彩的分離，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為色差。色差可以分為位置色差和倍率色差兩種。前者是由于不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)會(huì)聚點(diǎn)不同而產(chǎn)生彩色彌散現(xiàn)象，后者是由于鏡頭對(duì)不同波長(zhǎng)的光的放大率不同而引起的。一般的鏡頭設(shè)計(jì)都進(jìn)行了消色差計(jì)算。但是，要完全消除色差是不可能的。根據(jù)鏡頭的檔次，價(jià)格不同，消色差可以對(duì)二種波長(zhǎng)、三種波長(zhǎng)或四種波長(zhǎng)的光線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算。比如，對(duì)四種波長(zhǎng)進(jìn)行的超復(fù)消色差鏡頭的價(jià)格就是非常高的了。CANON公司還把菲涅爾透鏡技術(shù)應(yīng)用到鏡頭的消色差中去，這里就不展開(kāi)了。如有機(jī)會(huì)，我們將在其他文章中繼續(xù)討論。

各種像差圖表

初級(jí)球差大的點(diǎn)列圖

由于外圈的藍(lán)光大，而紅光和青光比較集中，由兩個(gè)情況引起。

一． 藍(lán)光的球差比較大

二． 軸向色差比較大

初級(jí)球差大的垂軸像差

此圖像差由兩個(gè)情況引起：

一．球差在0.8到1視場(chǎng)的球差比較大

二．軸向色差在0.8到1視場(chǎng)的軸向色差比較大

由圖看出其弧矢場(chǎng)曲，子午慧差，垂軸色差大。

由圖，其像斑左右寬，判斷其弧矢慧差和弧矢場(chǎng)曲大

三色的像斑不重合，分開(kāi)的比較大——垂軸色差比較大

由圖判斷出，其子午慧差，弧矢場(chǎng)曲大和子午垂軸色差大

其子午垂軸像差曲線(xiàn)彎曲的厲害－子午慧差大

其弧矢垂軸像差在原點(diǎn)處的斜率大－弧矢場(chǎng)曲大

其子午垂軸像差的各色差曲線(xiàn)垂軸向分離的距離大－子午垂軸色差大

對(duì)于此圖的子午垂軸色差在全視場(chǎng)0.6孔徑處垂軸色差小，在全視場(chǎng)負(fù)孔徑處垂軸色差大。例：全視場(chǎng)-0.5孔徑處。

子午慧差大的情況

由于其子午垂軸像差彎曲的厲害——子午慧差大

其慧差和垂軸色差大

由于像斑有尾巴向上，有正的慧差。

像斑有向下的尾巴，有負(fù)的慧差。

各色斑不重合，上下分離的厲害，有垂軸色差。

由圖看出，其軸向色差中間部分稍大，而且其圖線(xiàn)彎曲的厲害，故高級(jí)軸向色差比較大

由圖看出，其慧差比較大，有向下的慧尾，其慧差為負(fù)值。

初級(jí)球差，子午慧差，子午軸外球差，子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲大

初級(jí)球差——0視場(chǎng)垂軸像差曲線(xiàn)中，各色曲線(xiàn)比較集中，軸向色差不大，但是在接近全孔徑的時(shí)候，曲線(xiàn)偏離橫軸厲害，故初級(jí)球差大。

子午慧差——在子午垂軸像差曲線(xiàn)中，曲線(xiàn)彎曲的厲害。

子午場(chǎng)曲——在子午垂軸像差曲線(xiàn)中，0孔徑部分曲線(xiàn)的斜率比較大。

弧矢場(chǎng)曲——在弧矢垂軸像差曲線(xiàn)中，0孔徑部分曲線(xiàn)的斜率比較大。

子午軸外球差——在子午垂軸像差曲線(xiàn)中，全視場(chǎng)全孔徑兩端連線(xiàn)與0孔徑切線(xiàn)的夾角大。

此圖中還包含著高級(jí)子午慧差像差。

由圖看出，包含有高級(jí)子午場(chǎng)曲，高級(jí)畸變

由圖看出其軸向色差和初級(jí)球差大

軸向色差，初級(jí)球差，垂軸色差慧差可能還大些

由圖看出初級(jí)球差大——0視場(chǎng)的像斑看出

軸向色差——0視場(chǎng)各色像斑重合的不好，形成了光環(huán)

由圖看出垂軸色差，初級(jí)球差，軸向色差，弧矢場(chǎng)曲大和子午場(chǎng)曲大

圖示：垂軸色差，軸向色差大

軸向色差——各色曲線(xiàn)上下分離的厲害

弧矢場(chǎng)曲——弧矢垂軸像差曲線(xiàn)在原點(diǎn)處切線(xiàn)的斜率大

子午慧差——子午垂軸像差曲線(xiàn)兩個(gè)端點(diǎn)連線(xiàn)與Y軸交點(diǎn)離原點(diǎn)比較遠(yuǎn)

圖示：垂軸色差大

垂軸色差——各色光曲線(xiàn)上下分離的厲害

圖示：初級(jí)球差，軸向色差

初級(jí)球差——垂軸像差曲線(xiàn)離X軸比較遠(yuǎn)

軸向色差——各色曲線(xiàn)上下分離的厲害

圖示：初級(jí)球差，軸向色差

初級(jí)球差——0視場(chǎng)的像斑比較大

軸向色差——各色光的像斑沒(méi)有重合，分離的厲害

圖示：初級(jí)球差（主要是在全孔徑處），軸向色差（主要是在全孔徑處），子午垂軸色差，子午慧差，子午場(chǎng)曲，弧矢場(chǎng)曲

圖示：初級(jí)球差（0視場(chǎng)像斑大），軸向色差（0視場(chǎng)各色像斑分散）,垂軸色差（各色斑上下分離的厲害）