镜头的像差

镜头的像差

镜头的像差 [1]

近来一些网友对镜头中的非球面镜，复消色散镜片的提出了一些问题，为了从光学原理上向网友解释这些问题，特将手边有关的光学基础知识资料整理录入，希望能给想了解这方面内容的网友一些帮助。这是其中的一部分——镜头的像差。

镜头的像差

像差[aberration]

理想的摄影镜头在成像时，必须具备下列几点特性：①点必须成像为点。②正前方的面必须与光轴垂直成像为正的面。③被摄体与镜头的成像必须是相似形。此外，从映像表现面来看，忠实的色彩再现性也不容忽视。如果只注意到靠近光轴的光线，那么，单色光（特定波长的光）的场合就可以获得接近理想镜头的描写性能。然而，对于必须使用大光圈以获取充分的光量，对焦也不只限于近光轴区域，而是画面的每一个角落的摄影镜头而言，只要下列各项障碍因素存在，满足理想条件的完美镜头是不存在的:

1.几乎所有的镜片面都是球面构成的，因此，以点呈现出来的光，无法结成理想的点。

2.光的波长的不同，焦点位置也不同。

3.广角、变焦、望远等，改变画角时所衍生的各色各样的需求。

包括这些因素在内的成像，和理想的像之间的差异，总称为像差（aberration）。总之，为了实现高性能镜头的目标，如何全力减少像差，以及如何尽量接近理想成像，将是最关键性的课题。像差为不同波长的光所引起的·色像差以及·单色光所引起的像差两种。→色像差→赛德尔（Seidel）的五像差。

镜头的像差 [2]

色像差[chromatic aberration]

当像阳光这种白色光（由于各种色光平均地混在一起，所以感受不出色彩）通过三棱镜时，我们可以观察到彩虹光谱。这是因为波长的折射率（和色散率）不同所引起的现象（短波长的折射率强，长波长的弱）。这种发生在三棱镜的现象，虽然程度有别，但同样会发生在镜头上。这种起因于不同波长的像差，我们称它为色像差。色像差分成两种，一为光轴色像差（axial chromatic aberration），指的是光轴上的焦点位置，因波长不同产生异动现象；另一为倍率色像差（chromatic difference of magnification），为画面周边因波长的差异，所引起的映像倍率改变之谓。在实际作品上，光轴色像差引起色彩产生松蒙或光斑（flare），而倍率色像差则在画面周围引起色彩错开，如镶边（fringing）的现象。色像差的矫正，一般是组合折射率和色散率不同的镜片来进行。镜头的焦点距离愈长，色像差的影响愈大，特别是超望远镜头，色像差矫正是获得鲜锐画质的最重要关键所在。仅仅仰赖光学玻璃的组合，依然有它的极限，不过自从采用各种低色散镜片（佳能的人造结晶的萤石及UD镜片，超级UD镜片，DO镜片；尼康的ED镜片；腾龙的LD,AD镜片；适马，图丽的APO,SLD镜片）之后，立刻有了突飞猛进的改善。另外，光轴色像差又称为纵色像差（longitudinal chromatic aberration与光轴形成纵向），倍率色像差又称为横色像差（lateral chromatic aberration与光轴成横向）。注：色像差不仅影响彩色软片的色彩再现，也会减低黑白软片的解像力。

消色差镜头[achromat]

针对两个波长的光线，加以色像差矫正的镜头。摄影镜头上矫正的是蓝紫色系与黄色系的光线。

高校正镜头[apochromat]

针对三个波长的光加以消色处理的镜头，特别是减少次光谱的消色差镜头。

镜头的像差 [3]

赛德尔的五像差[five aberration of Seidel]

1856年德国的赛德尔，分析出五种镜头像差源之于单一色（单一波长）。此称为赛德尔五像差。

①球面像差[spherical aberration]

以镜头是球面构成的观点而言，这是一种无可避免的像差。当平行的光线由镜片的边缘通过时，它的焦点位置比较靠近镜片，而由镜片的中央通过的光线，它的焦点位置则较远离镜片（这种沿着光轴的焦点错开的量，称为纵向球面像差）。口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。受到球面像差影响的点像（point image），近轴光线的影像，其边缘彷佛被周围来的光斑（flare，又称为halo光晕，它的半径称为横向球面像差）所包围。因此由画面中央到周围都受到影响，整体好象蒙上一层纱似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙影像。

对于球面镜片的球面像差进行矫正，是件非常困难的工程。通常是以某一个入射距（从光轴起算的距离）的光线为基准，然后使用凸、凹两枚镜片予以适当的组合来完成，可是，只要是使用球面镜片，某种程度的球面像差就无法获得很大的改善。不过，彻底消除大口径镜头全开状态的球面像差，除了采用非球面镜片之外别无他法。

②慧星像差[coma/comatic aberration]

球面像差矫正过的镜头，在它的画面周边最常见的象。当光轴外的光线斜向射入镜头后，在面上无法聚集成一点，向画面中心或相反方向形成拖着尾巴的一种像差。拖着尾巴的样好象慧星（扫把星），所以叫做慧星像差，，这种松蒙现象称为慧星光斑（comatic flare）。即使是可以在光轴上，将点成像成点的镜头，从离轴的点过来，通过镜头边缘的光线，和通过镜头中心的主光线相比，有着不一样的折射时，也容易产生这种像差。主光线的倾斜度愈大，慧星像差愈明显，周边的反差也愈降低，不过，缩小光圈仍然可以获得某种程度的改善。受到这种像差影响的松蒙影像，呈现渗开的污染状，令人感到不快。针对某一种特定距离的被摄体，同时消除球面像差和慧星像差的叫做消球差（aplanatism），而可矫正此二像差的镜头叫做消球差镜头（aplanat）。

③像散现象[astigmatism]

经过球面像差和慧星像差矫正的镜头，在光轴上亦即画面中心，可以将点成像成点画像，可是，离轴区的点却不成点，而变成椭圆形或线状。这种像差即为像散现象。为了能详细地在周边部观察这种现象，将焦点慢慢错开，放射状延长的线一直到焦点的第一位置，和同心圆的线一直到清晰的焦点的第二位置（这两个焦点位置的距离，称为像散差距）都可以确认出来。换言之，子午（meridonal）像面的光线和弧矢（sagittal）像面的光束并无等价条件，所以两者的光线不能同时成为一点。子午像面的焦点在最佳位置时，弧矢像面的光线就结成线状（同心圆方向/子午焦线），反之，弧矢像面的焦点在最佳置时，子午线面的光线也结成线状（放射状方向/弧矢焦线）。