镜头像差

关于镜头的像差

    一支理想的镜头应能在全部有效视场内将物平面上的每一个物点,都在像平面上相应的位置处形成一个清晰的像点,但是实际的物镜并不能在像面上各处都形成理想的像,物镜所形成的实际影像与理想影像之间的差异称为像差。常见的像差可以分成“单色像差”和“色差”两大类。
   
    单色像差:单色像差是指单一颜色的光通过镜头后形成的像差,它又分为以下几种:

1、球差
    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,因此称为球差。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胶片的位置而改变。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,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。

2、彗差
    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。
   
3、像散
    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,我们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。

4、像面弯曲
    对垂直于光轴的物平面成像时,像面成为一个弯曲的曲面,称为像面弯曲,又称为像场弯曲或简称为场曲。存在像面弯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。
    通常我们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。

5、畸变
    直线的影像变为曲线称为畸变。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:在视场的中央,畸变为零;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。

 

·镜头的像差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

 

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 

 

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。


镜头的像差

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)。

镜头的像差

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)。

镜头的像差

④像面弯曲[curvature of field]

焦点对在平面物体时,像面并没有结成平面,像碗状一样形成内凹的一种现象。因此,当焦点对在画面中心时,四周趋清晰,反之,焦点对在四周时中心就变模糊。像面弯曲主要随着像散现象的矫正方法而改变,由于像面会出现在子午像面和孤矢像面之间,因此,像散现象矫正得愈好,像面弯曲现象就愈少。由于缩小光圈无法矫正像面弯曲,因此设计上,一般都是改变各种单镜片的开头或者选择光圈的位置上下功夫。像散现象和像面弯曲需要同时矫正时,不可少的条件之一的就是匹兹万条件(Petzval’s condition/1843年)。这个条件就是,将镜头使用的单镜片数,加在各单镜片的折射率乘以焦点距离的积的倒数上,它的和最好等于零,这个和叫做[匹兹万和数](Petzval’s Sum)。

镜头的像差

⑤歪曲像差[distortion]

理想镜头的条件中,有一项是[被摄体与镜头的成像必须形状相同],实际上拍摄到直线变形的现象叫做歪曲像差。对角线向外延长的变形(正)叫做枕形(pincushion) 歪曲像差,向内缩短的变形(负)叫做桶形(barrel)歪曲像差。虽然罕见,也有两者同时存在的复合形歪曲像差,出现在超广角镜头上。镜头组合构成上,镜片对称的分置光圈两侧,歪曲像差比较少;非对称构成的镜片,则经常发生。另外,变焦镜头的歪曲像差在广角区为桶形,望远区为枕形(因变焦的不同,歪曲像差的特性稍微不同)。采用非球面镜片的变焦镜头,由于非球面镜片有消除歪曲像差的功能,矫正效果相当良好。再者歪曲像差是通过镜头中心的主光线异常折射所引起的,因此不论如何缩小光圈,都不能获得改善。

镜头的像差 

 

子午像面[meridional]

包括通过光轴外物点的主光线和光轴的平面叫做子午面。通过这个面,射入镜头的光线,聚集成焦点的位置,称为子午像面。在软片面上,这个像面可以呈现出最佳的同心圆状的影像。把镜头的球面当作地球表面的一部分,以地轴来比喻光轴,这个面相当于子午线的位置,故称为子午面。此外,在MTF这一类的特性圆上,表示这个像面的曲线一般都缩写为M。

弧矢像面[sagittal]

和子午像面成直角的面叫做弧矢像面,这个像面可以呈现出最佳的放射状的影像。Sagittal是希腊文[箭]的意思。因为光线如放射状扩大而得名。通过弧矢的面,而射入镜头的光线,它的聚焦位置叫做弧矢像面,MTF特性图上,一般缩写为S。

像差图的解读

现在把经常刊载在摄影杂志的实验报告栏上,有关的像差特性图的解读方法简单地说明如下。

1。球面像差特性图

图表的纵轴,指的是光线进入镜头时的轴上入射距(画面中心到对角线的距离)。横轴是成像在底片面上的像点异动,单位是mm。横轴上的符号,[负]的表示被摄体方向、[正]的表示底片面方向。理想的镜头特性是针对入射距离时,横轴上的O点成一直线。这个理想和实际上的误差由曲线来表示。球面像差的修正,一般是即使缩小光圈,焦点移动量很少,中间部有若干矫正不全,最大入射距仍然可以归零的这种完全矫正型,一般被认为是最理想的方式。


镜头的像差

2。像散现像特性图

图表的纵轴是光线进入镜头时的轴上入射距(画面中心到对角线的距离),横轴是成像在底片面上的像点异动。单位、符号和球面像差特性图相同。理想的开头是针对入射距时,横轴O点成一直线。这个理想和实际镜头的误差,分别以S(孤矢/放射方向)和M(子午线/同心圆方向)两个方向,使用图表来表示。S和M的差(像散差距)如果太大,点就无法成像成点,其结果是画像松蒙。此外,结像面的前后模糊影像也显得非常不自然。

3。歪典像差特性图

图表的纵轴是光线进入镜头系统的轴上入射距(画面中心到对角线的距离/单位mm),横轴以百分比表示理想影像与实际影像的误差。负数的符号表示实际影像的对角线比理想影像短,换言之,属于桶形像差,反之,正数则为枕形像差。影像高度在任何情况下为±0%时为最理想的形状。一般变焦镜的特性是广角系为桶形像差,望远系为枕形像差。

镜头的像差

如何减少像差

在镜头设计时,虽然动用了大型电脑进行庞大的计算和高度的拟应作业,其能将像差控制到最低,以获得最佳的成像性能,严格来说,将所有的像差完全消除,事实上是不可能的,成品的镜头或多或少都会有一些像差存在着。这叫做残余像差(residual aberration),一般人常说的镜头很软或很松,这种有关镜头描写力的特性,视残余像差到底如何存在来做决定。现在,镜头松蒙感这种成像面以外的影像特色,都可以经由电脑的虚拟作业在设计过程中加以解析,并适当地予以加料或润饰。此外,在各种像差中,透过缩小光圈的动作,有的可以改善,有的却不行,请参考表二,光圈与像差的关系。

posted @ 2008-09-02 12:21  荖K  阅读(...)  评论(... 编辑 收藏