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镜头的像差

  镜头就像人类的眼睛,用来再现客观的世界。每个人都在追寻真理,但眼中的世界却不尽相同。镜头亦如此,下面来看看镜头的像差。

  在光学系统中,由透镜材料的特性、折射或反射表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差就是镜头的像差(aberration)。

  像差一般分两大类:色像差和单色像差。色像差简称色差,是由于透镜材料的折射率是波长的函数,由此而产生的像差。它可分光轴色像差和倍率色像差两种。单色像差是指即使在高度单色光时也会产生的像差,按产生的效果,又分成使像模糊和使像变形两类。前一类有球面像差、彗形像差和像散。后一类有像场弯曲和畸变。

  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,可以观察到彩虹光谱,这种现象叫色散。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)。发生在三棱镜的现象,同样会发生在镜头上。这种起因于不同波长的像差,称为色像差。色差分成以下两种:

  又叫位置色差、轴向色差、纵向色差(longitudinal chromatic aberration与光轴形成纵向),指的是光轴上的焦点位置,因波长不同产生异动现象。

  光轴色差通常使白光的像点变成一个由多种颜色光环套叠的光斑,移动调焦屏,光斑色环的结构也随之变化。

  在几何光学中,光轴色差与焦距成正比,因此成为影响长焦与超长焦镜头的主要矛盾。近些年来,人们在光学材料的研究上取得了巨大的突破,制成多种超低色散的玻璃『简称LD(Light Disperse、Low Dispersion)、ED(Extre-low Dispersion)、DL(Data Logic含有数据逻辑传输系统及超低色散玻璃)、UD(Ultra-Low Dispersion)、SD(Super-Low Dispersion)等』、超低折射率低色散的“萤石”玻璃、高折射率超低色散玻璃(简称XR)及特殊色散玻璃(简称AD Anomalous Dispersion)等新型光学材料及多层衍射光学镜片『简称DO(Diffractive Optical),该镜片使光轴色差曲线倒置:红光焦距短、蓝光焦距长』等新型光学元件,使优质长焦镜头的色差得到了明显的改善,在色差曲线上甚至能同时消除三种色光的色差,从而大幅度地改善了各种色光的色差,这种镜头特别称为“超消色差”镜头,常用APO(Apochcromat)标识。

  光轴色差的特点:光轴色差是长焦镜头与各种镜头视场中心的主要像差,缩小光圈可以较有效地减轻光轴色差的影响

  又叫横色像差(lateral chromatic aberration与光轴成横向),是指轴外光点(远轴光线)发出的混合光线通过镜头之后汇聚于不同的高度上,使影像的边缘分解出朦胧的彩虹。这种色差使物体同一点发出的不同色光所形成的影像具有不同的摄影倍率。

  在实际照片上,倍率色像差在画面周围引起色彩错开,如镶边(fringing)的现象。在一幅照片中,紫边比其他色散现象更加显而易见。特别当逆光拍摄或拍摄对比极强烈的物体时,尤其容易出现。

  一束平行于透镜光轴或与光轴夹角较小的光线称为近轴光线。当近轴光线通过球面透镜时,经过透镜中心的光线与经过透镜边缘的光线不能相交于一点,这种像差是由于透镜的表面是球面而形成产生的,因此称为球面像差,简称球差。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,它的焦点位置则远离镜片。画面整体好像蒙上一层纱似的,变成缺少鲜锐度的灰蒙影像。焦距越长、相对孔径越大,球差越严重。球差使一个明锐的光点变成模糊的光斑,而且光斑的大小与亮度的分布还随底片的位置而改变。使用非球面的镜片可以有效地减少球差,除此之外,非球面镜片还能减小畸变和简化镜头的结构。

  球差的特点:球差是近轴光线特有的像差,主要呈现在画面中心,光圈不变,焦距越长,球差越明显。球差较大时,镜头的成像位置也会随着光圈的变化而改变。无论球差的特征如何,收缩光圈后都能迅速改善。

  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(aspherical lens)之外别无他法。

  一束与光轴夹角较大的斜射成像光线称为远轴光线。当远轴光线经过镜头时无法汇聚于一点,经常是形成一个彗星状的光斑,因此将这种像差称为彗星像差,简称彗差。可以用多种方法减少彗差,但是彗差是一种非常顽固的像差,即使设法消除了初级彗差后,常会产生出较小但形状更复杂的二级彗差。

  彗差的特点:彗差是远轴光线特有的像差,因此多产生于短焦镜头的画面边缘,彗差难以彻底消除,缩小光圈可以较好地减少彗差。

  针对某一种特定距离的被摄体,同时消除球面像差和彗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)。

  当一束很细的远轴光线经过镜头后会在不同的空间位置上聚焦为两条微小的焦线,一条沿着从画面中心指向边缘的半径方向,称为径向焦线或弧矢焦线,另一条则沿着以画面中心为圆心的圆周方向,称为切向焦线或子午焦线。真正聚焦的像点在两条焦线的中间,呈现为一个比较模糊的光斑。由于两条焦线彼此分离,因此这种像差称为像散。像散使画面边缘在子午与弧矢两个方向的线条具有不同的清晰度。

  像散的特点:像散也是远轴光线特有的像差,而且是最顽固的像差,不仅难以消除,而且与光圈基本无关,很难用缩小光圈减弱像散,因此在评价一支镜头的像质时,像散经常成为重点关注的单色像差。

  对垂直于光轴的物平面成像时,像面成为一个弯曲的曲面,称为像场弯曲,简称为场曲,又称为像面弯曲。存在场曲的镜头对平面物体成像时,画面的中部与周边部分不可能同时调准焦点。

  通常将子午焦线与弧矢焦线之间的较细小的中间光斑组成的面称为像面,因此像面弯曲经常是与像散共存的,像面弯曲不仅伴随着中心与边缘不同的清晰度,还经常见到像场同一个位置上子午与弧矢方向上分辨率明显的差异。缩小光圈无法矫正场曲。

  直线的影像变为曲线称为畸变,又叫歪曲像差。按照直线弯曲的方向,畸变又可以分为枕形畸变(又称为正畸变)和桶形畸变(又称为负畸变)。畸变还伴随着影像尺寸的变化,枕形畸变的实际影像比理论值更大,桶形畸变的实际影像小于理想的影像。畸变经常是由于镜头光学结构与光圈位置不对称引起的,此外光圈在镜头中的位置也会影响畸变的的特征与大小。非球面的透镜不仅能消除球差,也能改善畸变。

  畸变的特点:一般距画面中心越远,畸变越大;通过像场中心的直线都没有畸变。畸变不影响镜头的清晰度,畸变与光圈的大小无关。