镜头像差
關于鏡頭的像差
??? 一支理想的鏡頭應能在全部有效視場內將物平面上的每一個物點，都在像平面上相應的位置處形成一個清晰的像點，但是實際的物鏡并不能在像面上各處都形成理想的像，物鏡所形成的實際影像與理想影像之間的差異稱為像差。常見的像差可以分成“單色像差”和“色差”兩大類。
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??? 單色像差：單色像差是指單一顏色的光通過鏡頭后形成的像差，它又分為以下幾種：
1、球差
??? 一束平行于透鏡光軸或與光軸夾角較小的光線稱為近軸光線。當近軸光線通過球面透鏡時，經過透鏡中心的光線與經過透鏡邊緣的光線不能相交于一點，這種像差是由于透鏡的表面是球面而形成產生的，因此稱為球差。焦距越長、相對孔徑越大，球差越嚴重。球差使一個明銳的光點變成模糊的光斑，而且光斑的大小與亮度的分布還隨膠片的位置而改變。使用非球面的鏡片可以有效地減少球差，除此之外，非球面鏡片還能減小畸變和簡化鏡頭的結構。
??? 球差的特點：球差是近軸光線特有的像差，主要呈現在畫面中心，焦距越長，球差越明顯。球差較大時，鏡頭的成像位置也會隨著光圈的變化而改變。無論球差的特征如何，收縮光圈后都能迅速改善。
2、彗差
??? 一束與光軸夾角較大的斜射成像光線稱為遠軸光線。當遠軸光線經過鏡頭時無法匯聚于一點，經常是形成一個彗星狀的光斑，因此將這種像差稱為彗差?？梢杂枚喾N方法減少彗差，但是彗差是一種非常頑固的像差，即使設法消除了初級彗差后，常會產生出較小但形狀更復雜的二級彗差。
彗差的特點：彗差是遠軸光線特有的像差，因此多產生于短焦鏡頭的畫面邊緣，彗差難以徹底消除，縮小光圈可以較好地減少彗差。
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3、像散
??? 當一束很細的遠軸光線經過鏡頭后會在不同的空間位置上聚焦為兩條微小的焦線，一條沿著從畫面中心指向邊緣的半徑方向，稱為徑向焦線或弧矢焦線，另一條則沿著以畫面中心為圓心的圓周方向，稱為切向焦線或子午焦線。真正聚焦的像點在兩條焦線的中間，呈現為一個比較模糊的光斑。由于兩條焦線彼此分離，因此這種像差稱為像散。像散使畫面邊緣在子午與弧矢兩個方向的線條具有不同的清晰度。
??? 像散的特點：像散也是遠軸光線特有的像差，而且是最頑固的像差，不僅難以消除，而且與光圈基本無關，我們很難用縮小光圈減弱像散，因此在評價一支鏡頭的像質時，像散經常成為重點關注的單色像差。
4、像面彎曲
??? 對垂直于光軸的物平面成像時，像面成為一個彎曲的曲面，稱為像面彎曲，又稱為像場彎曲或簡稱為場曲。存在像面彎曲的鏡頭對平面物體成像時，畫面的中部與周邊部分不可能同時調準焦點。
??? 通常我們將子午焦線與弧矢焦線之間的較細小的中間光斑組成的面稱為像面，因此像面彎曲經常是與像散共存的，像面彎曲不僅伴隨著中心與邊緣不同的清晰度，還經常見到像場同一個位置上子午與弧矢方向上分辨率明顯的差異。
5、畸變
??? 直線的影像變為曲線稱為畸變。按照直線彎曲的方向，畸變又可以分為枕形畸變（又稱為正畸變）和桶形畸變（又稱為負畸變）?；冞€伴隨著影像尺寸的變化，枕形畸變的實際影像比理論值更大，桶形畸變的實際影像小于理想的影像?；兘洺Ｊ怯捎阽R頭光學結構與光圈位置不對稱引起的，此外光圈在鏡頭中的位置也會影響畸變的的特征與大小。非球面的透鏡不僅能消除球差，也能改善畸變。
??? 畸變的特點：在視場的中央，畸變為零；一般距畫面中心越遠，畸變越大；通過像場中心的直線都沒有畸變?；儾挥绊戠R頭的清晰度，畸變與光圈的大小無關。
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·鏡頭的像差近來一些網友對鏡頭中的非球面鏡，復消色散鏡片的提出了一些問題，為了從光學原理上向網友解釋這些問題，特將手邊有關的光學基礎知識資料整理錄入，希望能給想了解這方面內容的網友一些幫助。這是其中的一部分——鏡頭的像差。
鏡頭的像差
像差[aberration]
理想的攝影鏡頭在成像時，必須具備下列幾點特性：①點必須成像為點。②正前方的面必須與光軸垂直成像為正的面。③被攝體與鏡頭的成像必須是相似形。此外，從映像表現面來看，忠實的色彩再現性也不容忽視。如果只注意到靠近光軸的光線，那么，單色光（特定波長的光）的場合就可以獲得接近理想鏡頭的描寫性能。然而，對于必須使用大光圈以獲取充分的光量，對焦也不只限于近光軸區域，而是畫面的每一個角落的攝影鏡頭而言，只要下列各項障礙因素存在，滿足理想條件的完美鏡頭是不存在的:
1.幾乎所有的鏡片面都是球面構成的，因此，以點呈現出來的光，無法結成理想的點。
2.光的波長的不同，焦點位置也不同。
3.廣角、變焦、望遠等，改變畫角時所衍生的各色各樣的需求。
包括這些因素在內的成像，和理想的像之間的差異，總稱為像差（aberration）。總之，為了實現高性能鏡頭的目標，如何全力減少像差，以及如何盡量接近理想成像，將是最關鍵性的課題。像差為不同波長的光所引起的·色像差以及·單色光所引起的像差兩種。→色像差→賽德爾（Seidel）的五像差。
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色像差[chromatic aberration]
當像陽光這種白色光（由于各種色光平均地混在一起，所以感受不出色彩）通過三棱鏡時，我們可以觀察到彩虹光譜。這是因為波長的折射率（和色散率）不同所引起的現象（短波長的折射率強，長波長的弱）。這種發生在三棱鏡的現象，雖然程度有別，但同樣會發生在鏡頭上。這種起因于不同波長的像差，我們稱它為色像差。色像差分成兩種，一為光軸色像差（axial chromatic aberration），指的是光軸上的焦點位置，因波長不同產生異動現象；另一為倍率色像差（chromatic difference of magnification），為畫面周邊因波長的差異，所引起的映像倍率改變之謂。在實際作品上，光軸色像差引起色彩產生松蒙或光斑（flare），而倍率色像差則在畫面周圍引起色彩錯開，如鑲邊（fringing）的現象。色像差的矯正，一般是組合折射率和色散率不同的鏡片來進行。鏡頭的焦點距離愈長，色像差的影響愈大，特別是超望遠鏡頭，色像差矯正是獲得鮮銳畫質的最重要關鍵所在。僅僅仰賴光學玻璃的組合，依然有它的極限，不過自從采用各種低色散鏡片（佳能的人造結晶的螢石及UD鏡片，超級UD鏡片，DO鏡片；尼康的ED鏡片；騰龍的LD,AD鏡片；適馬，圖麗的APO,SLD鏡片）之后，立刻有了突飛猛進的改善。另外，光軸色像差又稱為縱色像差（longitudinal chromatic aberration與光軸形成縱向），倍率色像差又稱為橫色像差（lateral chromatic aberration與光軸成橫向）。注：色像差不僅影響彩色軟片的色彩再現，也會減低黑白軟片的解像力。
消色差鏡頭[achromat]
針對兩個波長的光線，加以色像差矯正的鏡頭。攝影鏡頭上矯正的是藍紫色系與黃色系的光線。
高校正鏡頭[apochromat]
針對三個波長的光加以消色處理的鏡頭，特別是減少次光譜的消色差鏡頭。
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賽德爾的五像差[five aberration of Seidel]
1856年德國的賽德爾，分析出五種鏡頭像差源之于單一色（單一波長）。此稱為賽德爾五像差。
①球面像差[spherical aberration]
以鏡頭是球面構成的觀點而言，這是一種無可避免的像差。當平行的光線由鏡片的邊緣通過時，它的焦點位置比較靠近鏡片，而由鏡片的中央通過的光線，它的焦點位置則較遠離鏡片（這種沿著光軸的焦點錯開的量，稱為縱向球面像差）?？趶接蟮溺R頭，這種傾向愈明顯。受到球面像差影響的點像（point image），近軸光線的影像，其邊緣彷佛被周圍來的光斑（flare，又稱為halo光暈，它的半徑稱為橫向球面像差）所包圍。因此由畫面中央到周圍都受到影響，整體好象蒙上一層紗似的，變成缺少鮮銳度的灰蒙影像。
對于球面鏡片的球面像差進行矯正，是件非常困難的工程。通常是以某一個入射距（從光軸起算的距離）的光線為基準，然后使用凸、凹兩枚鏡片予以適當的組合來完成，可是，只要是使用球面鏡片，某種程度的球面像差就無法獲得很大的改善。不過，徹底消除大口徑鏡頭全開狀態的球面像差，除了采用非球面鏡片之外別無他法。
②慧星像差[coma/comatic aberration]
球面像差矯正過的鏡頭，在它的畫面周邊最常見的象。當光軸外的光線斜向射入鏡頭后，在面上無法聚集成一點，向畫面中心或相反方向形成拖著尾巴的一種像差。拖著尾巴的樣好象慧星（掃把星），所以叫做慧星像差，，這種松蒙現象稱為慧星光斑（comatic flare）。即使是可以在光軸上，將點成像成點的鏡頭，從離軸的點過來，通過鏡頭邊緣的光線，和通過鏡頭中心的主光線相比，有著不一樣的折射時，也容易產生這種像差。主光線的傾斜度愈大，慧星像差愈明顯，周邊的反差也愈降低，不過，縮小光圈仍然可以獲得某種程度的改善。受到這種像差影響的松蒙影像，呈現滲開的污染狀，令人感到不快。針對某一種特定距離的被攝體，同時消除球面像差和慧星像差的叫做消球差（aplanatism），而可矯正此二像差的鏡頭叫做消球差鏡頭（aplanat）。
③像散現象[astigmatism]
經過球面像差和慧星像差矯正的鏡頭，在光軸上亦即畫面中心，可以將點成像成點畫像，可是，離軸區的點卻不成點，而變成橢圓形或線狀。這種像差即為像散現象。為了能詳細地在周邊部觀察這種現象，將焦點慢慢錯開，放射狀延長的線一直到焦點的第一位置，和同心圓的線一直到清晰的焦點的第二位置（這兩個焦點位置的距離，稱為像散差距）都可以確認出來。換言之，子午（meridonal）像面的光線和弧矢（sagittal）像面的光束并無等價條件，所以兩者的光線不能同時成為一點。子午像面的焦點在最佳位置時，弧矢像面的光線就結成線狀（同心圓方向/子午焦線），反之，弧矢像面的焦點在最佳置時，子午線面的光線也結成線狀（放射狀方向/弧矢焦線）。
④像面彎曲[curvature of field]
焦點對在平面物體時，像面并沒有結成平面，像碗狀一樣形成內凹的一種現象。因此，當焦點對在畫面中心時，四周趨清晰，反之，焦點對在四周時中心就變模糊。像面彎曲主要隨著像散現象的矯正方法而改變，由于像面會出現在子午像面和孤矢像面之間，因此，像散現象矯正得愈好，像面彎曲現象就愈少。由于縮小光圈無法矯正像面彎曲，因此設計上，一般都是改變各種單鏡片的開頭或者選擇光圈的位置上下功夫。像散現象和像面彎曲需要同時矯正時，不可少的條件之一的就是匹茲萬條件（Petzval’s condition/1843年）。這個條件就是，將鏡頭使用的單鏡片數，加在各單鏡片的折射率乘以焦點距離的積的倒數上，它的和最好等于零，這個和叫做[匹茲萬和數]（Petzval’s Sum）。
⑤歪曲像差[distortion]
理想鏡頭的條件中，有一項是[被攝體與鏡頭的成像必須形狀相同]，實際上拍攝到直線變形的現象叫做歪曲像差。對角線向外延長的變形（正）叫做枕形（pincushion） 歪曲像差，向內縮短的變形（負）叫做桶形（barrel）歪曲像差。雖然罕見，也有兩者同時存在的復合形歪曲像差，出現在超廣角鏡頭上。鏡頭組合構成上，鏡片對稱的分置光圈兩側，歪曲像差比較少；非對稱構成的鏡片，則經常發生。另外，變焦鏡頭的歪曲像差在廣角區為桶形，望遠區為枕形（因變焦的不同，歪曲像差的特性稍微不同）。采用非球面鏡片的變焦鏡頭，由于非球面鏡片有消除歪曲像差的功能，矯正效果相當良好。再者歪曲像差是通過鏡頭中心的主光線異常折射所引起的，因此不論如何縮小光圈，都不能獲得改善。
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子午像面[meridional]
包括通過光軸外物點的主光線和光軸的平面叫做子午面。通過這個面，射入鏡頭的光線，聚集成焦點的位置，稱為子午像面。在軟片面上，這個像面可以呈現出最佳的同心圓狀的影像。把鏡頭的球面當作地球表面的一部分，以地軸來比喻光軸，這個面相當于子午線的位置，故稱為子午面。此外，在MTF這一類的特性圓上，表示這個像面的曲線一般都縮寫為M。
弧矢像面[sagittal]
和子午像面成直角的面叫做弧矢像面，這個像面可以呈現出最佳的放射狀的影像。Sagittal是希臘文[箭]的意思。因為光線如放射狀擴大而得名。通過弧矢的面，而射入鏡頭的光線，它的聚焦位置叫做弧矢像面，MTF特性圖上，一般縮寫為S。
像差圖的解讀
現在把經常刊載在攝影雜志的實驗報告欄上，有關的像差特性圖的解讀方法簡單地說明如下。
1。球面像差特性圖
圖表的縱軸，指的是光線進入鏡頭時的軸上入射距（畫面中心到對角線的距離）。橫軸是成像在底片面上的像點異動，單位是mm。橫軸上的符號，[負]的表示被攝體方向、[正]的表示底片面方向。理想的鏡頭特性是針對入射距離時，橫軸上的O點成一直線。這個理想和實際上的誤差由曲線來表示。球面像差的修正，一般是即使縮小光圈，焦點移動量很少，中間部有若干矯正不全，最大入射距仍然可以歸零的這種完全矯正型，一般被認為是最理想的方式。
2。像散現像特性圖
圖表的縱軸是光線進入鏡頭時的軸上入射距（畫面中心到對角線的距離），橫軸是成像在底片面上的像點異動。單位、符號和球面像差特性圖相同。理想的開頭是針對入射距時，橫軸O點成一直線。這個理想和實際鏡頭的誤差，分別以S（孤矢/放射方向）和M（子午線/同心圓方向）兩個方向，使用圖表來表示。S和M的差（像散差距）如果太大，點就無法成像成點，其結果是畫像松蒙。此外，結像面的前后模糊影像也顯得非常不自然。
3。歪典像差特性圖
圖表的縱軸是光線進入鏡頭系統的軸上入射距（畫面中心到對角線的距離/單位mm），橫軸以百分比表示理想影像與實際影像的誤差。負數的符號表示實際影像的對角線比理想影像短，換言之，屬于桶形像差，反之，正數則為枕形像差。影像高度在任何情況下為±0%時為最理想的形狀。一般變焦鏡的特性是廣角系為桶形像差，望遠系為枕形像差。
如何減少像差
在鏡頭設計時，雖然動用了大型電腦進行龐大的計算和高度的擬應作業，其能將像差控制到最低，以獲得最佳的成像性能，嚴格來說，將所有的像差完全消除，事實上是不可能的，成品的鏡頭或多或少都會有一些像差存在著。這叫做殘余像差（residual aberration），一般人常說的鏡頭很軟或很松，這種有關鏡頭描寫力的特性，視殘余像差到底如何存在來做決定。現在，鏡頭松蒙感這種成像面以外的影像特色，都可以經由電腦的虛擬作業在設計過程中加以解析，并適當地予以加料或潤飾。此外，在各種像差中，透過縮小光圈的動作，有的可以改善，有的卻不行，請參考表二，光圈與像差的關系。
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