像差專題初級(jí)像差深入

1、像差專題初級(jí)像差深入1，近軸光線和遠(yuǎn)軸光線的概念。近軸光線和遠(yuǎn)軸光線都是指與光軸平行的光線，它們都成像在光軸上（下圖中畫的是主光軸情況）。縮小的光圈可以攔去遠(yuǎn)軸光線，而由近軸光線來成像?？偟膩碚f，鏡頭的像差可以分成兩大類，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。從無窮遠(yuǎn)處來的平行光線在理論上應(yīng)該會(huì)聚在焦點(diǎn)上。但是由于近軸光線與遠(yuǎn)軸光線的會(huì)聚點(diǎn)并不一致，會(huì)聚光線并不是形成一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)以光軸為中心對(duì)稱的彌散圓，這種像差就稱為球差。

2、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，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)，只要光線條件允許，可以考慮使用較小的光圈來減小球差的影響。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，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)稱的彌散光斑，

3、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為彗差。彗差的大小既與光圈有關(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)采用較小的光圈來減少彗差對(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)象稱為象散。像散可以對(duì)照眼睛的散光來理解。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。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)

4、角有關(guān)，與孔徑是沒有關(guān)系的。即使光圈開得很小，在子午和弧矢方向仍然無法同時(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。當(dāng)拍攝垂直于光軸的平面上的物時(shí)，經(jīng)過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)曲是一種與孔徑無關(guān)的像差?？繙p小光圈并不能改善因場(chǎng)曲帶來的模糊。用存在場(chǎng)曲的鏡頭拍照時(shí)，當(dāng)調(diào)焦至畫面中央處影象清晰，畫面四周影象就模糊；而當(dāng)調(diào)焦至畫面四周影象清晰時(shí)，畫面中央處的影象又開始模糊，無

5、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)?；兪侵肝锼傻南裨谛螤钌系淖冃??；儾⒉粫?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，物方的一條直線在像方就變成了一條曲線，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?；兣c鏡頭的光圈F數(shù)大小無關(guān)，只與

6、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。無論是哪一種鏡頭，哪一種畸變，縮小光圈并都不能改善畸變。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，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。最后再說一說色差。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