关于各种像差的说明（有图片对比）

前面看了北京TUJIAN同好发的《镜头的像差》一文，感觉特别实用，但是又感觉到有点不太解渴，我又搜了一些对比说明，在这里大家一起学习交流一下。为保持连续性，请大家不要那么快跟贴


什么是非球面镜头？有那些特性和优点？

    一片光学镜片或者与一个复合镜头相结合的镜片，至少一个表面上不同部位的点没有共同的球心，这就是非球面镜片，至少含有一片这种镜片的复合镜头称为非球面镜头（Aspherical Lens）。

    大多数透镜都是球面的，所以在一特定表面上的各点和球心（半径或中心点）的距离都是相等的，一个透镜的前表面和后表面差不多总是不同半径的球面。这一设计原理的最大缺陷就是无法避免地产生球面像差，只有通过通过非球面镜片来加以校正。

                               
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    球面像差（spherical aberration），是由于透镜球面表面是球面而引起的。由光轴上同一物点发出的光线，通过镜头后在像场空间上不同的点会聚，从而发生了结像位置的偏移。

    非球面镜片不像普通的凹凸透镜那样表面为简单的圆球面，非球面镜在镜头边缘的厚度较大，镜面为非球面状。非球面镜片的作用就是通过修改镜片表面的曲率，让近轴光线与远轴光线所形成的焦点位置重合。当近轴光线与远轴光线都落在同一个焦平面上后，光斑将会消失，成像锐度将会提高。

    目前主要有三种制造非球面镜片的方法：
    1、研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这种制造工艺成本相对较高；
    2、模压非球面镜片：采用金属铸模技术将融化的光学玻璃/光学树脂直接压制而成，这种制造工艺成本相对较低；
    3、复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两种工艺之间。
    由于光线进入广角镜头的入射角比较大，所以球面像差的表现在广角镜头尤为明显，因此在广角镜头上采用非球面镜片是消除像差的有效方法。下面几款广角镜头的结构中都采用了非球面镜片。

                               
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佳能 EF14/2.8L USM                         尼康 AF 18/2.8D

                               
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美能达 AF 35/1.4G                        腾龙 SP AF 14/2.8

    通常的非球面镜片是一面为非球面，另外一面是球面，近年来出现了双面非球面镜片，采用这样的镜片，可以使镜头的镜片数减少许多，也可以得到更大倍率的变焦镜头。

    枕形失真（Pincushion Distortion）又称枕形畸变，它是由镜头引起的画面向中间“收缩”的现象。我们在使用长焦镜头或使用变焦镜头的长焦端时，最容易察觉枕形失真现象。特别是在使用焦距转换器后，枕形失真很容易便会发生。当画面中有直线（尤其是靠近相框边缘的直线）的时候，枕形失真最容易被察觉。普通消费级数码相机的枕形失真率通常为0.4%，比桶形失真率低。与针垫形失真相对的是桶形失真。

                               
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针垫形失真使正方形向内收缩

                               
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枕形失真的拍摄实例

    枕形失真的矫正
    通常情况下，长焦镜头都有或多或少的枕形畸变，尤其是在变焦镜头的长焦端，这个问题更是十分严重，很多大变焦比便携式相机出于成本考虑，在这个方面更是有先天不足。不过现在这个问题简单了，因为最近一个名为“全景工具”（Panorama Tools）的软件在网上越来越流行，摄影者们通过这个软件可以轻而易举地校正桶形畸变和枕形畸变。我们通过全景工具对上图的失真照片进行了矫正。

                               
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矫正前的照片                                矫正后的照片

　　此外，我们海可以通过Adobe Photoshop等一系列软件，矫正数码相机输出的枕形失真图像，掌握了诀窍以后，难度并不大。

桶形失真（Barrel Distortion）又称桶形畸变，它，是由镜头引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。我们在使用广角镜头或使用变焦镜头的最广角端时，最容易察觉桶形失真现象。当画面中有直线（尤其是靠近相框边缘的直线）的时候，桶形失真最容易被察觉。普通消费级数码相机的桶形失真率通常为1%。与桶形失真相对的是枕形失真。

                               
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桶形失真使正方形膨胀

                               
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桶形失真的拍摄实例

    失真是由于光线的倾斜度大引起的，与球差和像散不同，失真不破坏光束的同心性，从而不影响像的清晰度。失真表现在像平面内图形的各部分与原物不成比例。畸变的情况与光阑的位置有关。

    桶形失真的矫正

    通常情况下，广角镜头都有或多或少的桶形畸变，尤其是在变焦镜头的广角端，这个问题更是十分严重，很多大变焦比便携式相机出于成本考虑，在这个方面更是有先天不足。不过现在这个问题简单了，因为最近一个名为“全景工具”（Panorama Tools）的软件在网上越来越流行，摄影者们通过这个软件可以轻而易举地矫正桶形畸变和枕形畸变。我们通过全景工具对上图的失真照片进行了矫正。

                               
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矫正前的照片                                矫正后的照片

　　此外，我们还可以通过Adobe Photoshop等一系列软件，矫正数码相机输出的桶形失真图像，掌握了诀窍以后，难度并不大。

    正如我们曾经所看到过的所有用广角镜头拍摄的特写肖像，其中被摄影对象的鼻子与面部的其它器官相比会显得出奇的大。这就是用广角镜头拍摄的很多照片所具有的一种透视畸变形式的特征。

                               
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    为了了解这种失真发生的原因，让我们首先论述正常透视，众所周知,我们的眼睛感觉远近的一种方法就是利用物体的相对大小，大脑会告诉我们物体远就是显得小，距离越远，显得越小。

　　在摄影中，也是用相同的方法鉴别透视关系的。远处的物体比相同大小的近处物体显得小。由于这一原因，平行的铁轨会随着我们向远处了望而显得越来越靠近，直至汇聚成一点。这一现象的本质就是铁轨间的距离表面上看变小了。

                               
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　　透视还有另外一种表现，即物体越近，透视效果越强烈，比方说，200名士兵排成一纵队正在行进。如果在距离前面士兵10英尺的地方观看或拍摄队伍，那么前面的士兵就会显得比最后的士兵高大得多。但是，如果在远离前面士兵100米的地方观看或拍摄同一支队伍，第一个和最后一个士兵之间的大小差异就不会显得那么大。

　　透视的这两方面特征同样透用于所有的镜头，即：
　　1． 被摄体越远，显得越小；
　　2． 镜头离被摄体越远，被摄体外观上的大小变化越小。

　　广角镜头的透视畸变

　　那么为什么广角镜头常常产生失真的透视关系，比如实例中怪异的鼻子的根源呢？因为使用广角镜头往往在非常接近被摄体的位置上进行拍摄，拍摄距离越近，透视效果越强烈（如下图）。道理就是这么简单。

                               
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　　换句话说，倘若是在相同的距离使用所有镜头进行拍摄的话，广角镜头并不会比任何一只其他镜头更歪曲透视。实际上，通过试验并不难证实这一点，使用不同焦距的镜头拍摄一排柱子或一排树或是任何成排的对象，在相同的位置拍摄所有的照片，然后放大每一影像的相同部分，目的是在照片上得到同等大小的影像。最后，不管所用镜头的焦距如何，在任何一张照片上都不会看到透视方面存在任何的差异。原因是所有照片的拍摄距离都是相同的，即被摄体到镜头的距离都是相同的。

　　现在，让我们回到特写肖像中怪异大鼻子的问题上来。人的鼻子尖距离照相机比面部的其他部分大约近1英寸。由于被摄体越近就会显得越大，因此靠近拍摄时，鼻子就会显得比面部其他部分不成比例的大。那么，为什么广角镜头会使这种失真更为显著呢？因为为了使肖像充满画面，对于广角镜头必须极为接近被摄对象。对于任何一种镜头，当非常接近被摄体到一定程度时，就会产生这种失真。越接近被摄体，失真越严重。正是由于希望被摄体充满画面，而恰恰进入了广角镜头的失真距离范围。

　　远摄镜头的透视畸变

　　实际上，随着被摄体的越来越远，透视畸变会变得越来越小；但却开始变得扁平。相距很远的两个被摄体却显得像一个在另一个之上似的。从图2.53的照片中可以非常明显地看到这种现象。棒球的击球手看起来好像跟投手站得非常靠近。这是一种反向畸变，在使用远摄镜头拍摄时时常出现。

                               
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　　由于被摄体距离照相机非常遥远，从而产生了扁平的透视效果。正像在上幅照片中看到的，投手显得和击球手差不多同样大小，给人一种俩人邻近的错觉，其实他们相距60英尺远。因此，从很远距离拍摄的被摄体似乎给压平了。

　　为什么这种情形经常会在用远摄镜头拍摄的照片中看到呢？这是因为使用远摄镜头时，拍摄距离往往更为遥远。事实上，在相同的距离处无论使用什么镜头都会产生这种失真。

　　肖像镜头

　　我们已经了解了透视畸变的有关内容，现在让我们把这些知识应用到可能是最经常拍摄的照片类型--肖像上去。拍摄"头部一肩部"肖像时，往往希望被摄对象的面部充满大部分画面。但是如果镜头过于接近被摄对象，那么还想同时避免可能出现的"大鼻子"问题；如果拍摄距离过于遥远，又希望避免可能出现的"平脸"问题。怎么才能避免两个极端呢？ 我们寄希望于使用某种焦距的镜头，既能够允许被摄体充满画面，又不会让拍摄距离过近或过远。

对镜头品质的考核一般有如下因素：解像力、反差、色彩还原等。这些都是一些可以量化的物理指标。但是对画面的表现而言，前后景的虚化有着比较重要的意义。因此，对焦点前后虚化的影象如何表现就成为考核镜头的另外一个因素，但是这个因素难以量化的。    焦点前后虚化的影象通常称为焦外成像，也称为虚像或散焦，英文称为“Bokeh”，这是一个生造词（OOF：Out Of Focus)，它与柔焦的区别是：柔焦一般是指整个画面柔化，没有清晰的影象；而散焦则有清晰的部分，在清晰焦点前后的影象都是柔化的。除了某些特定的镜头，普通折射镜头的焦外成像特点来自于镜头球面像差的矫正，下面是焦外成像的一些说明。

                               
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    可以说，焦外成像可以分成两大类类型：

    1、模糊虚化：除焦点外，整个画面都是扩散的、模糊的，边缘没有残留部分，这是最好的焦外成像；

                               
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Carl Zeiss 50/1.4 @ f/1.4，小蔡拍摄

    2、二线性虚化：这是不太理想的焦外成像，被摄物体的散焦画面轮廓被两条或者数条线分开。最为明显的例子就是折反射镜头，具有明显的二线性。二线性出现，在视觉容易对主体产生干扰。

                               
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俄罗斯500/5.6折反镜头拍摄

    以下是一些二线性虚化的例子：

                               
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    事物都不是绝对的，尽管二线性虚化属于不太理想的焦外成像，但是充分利用这样的成像特点，同样也能营造出美妙和有意思的画面。下图为利用二线性虚化拍摄例子。

                               
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    对于普通折射镜头而言，影响焦外成像的因素有两个：镜头设计的本性和光圈的形状。绝大多数镜头在全开光圈的时候，光圈都是圆形的，此时的焦外成像就代表了镜头设计的本性；当收缩光圈拍摄时表现出来的焦外成像，是镜头设计的本性和光圈形状共同作用的结果。

                               
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非圆形光圈                        圆形光圈

    一些镜头在全开光圈时可以表现出很好的焦外成像，但是在收缩光圈后，由于光圈的非圆形，会破坏焦外成像，这就是近年来许多厂家陆续采用圆形光圈的缘故之一，这类圆形光圈在收缩两档依然能够保证具有比较完美的圆形。

                               
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    上面的两幅照片的例子，就表现出光圈的形状（非圆形光圈）对焦外成像的影响。

                               
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    上面左图的焦外成像良好，线条、圆形、三角形、矩形等形状都表现出均匀往外扩散，中间亮度最高，随着向外模糊的同时，也随之降低亮度；右图的表现就一般了，也是多数镜头的表现。线条的边缘比较生硬，由明显的边缘。其他的形状扩散不够均匀。

                               
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    上图具有良好焦外成像，下图的焦外成像呈现出二线性。

好帖子，收藏了

下面的内容和以前有些重复，不过也感觉挺好的，一起发上来吧。

概念   

1。球差：由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴上的理想像平面处，形成一弥散光斑（俗称模糊圈），则此光学系统的成像误差称为球差。


2。慧差：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。


3。像散：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。


4。场曲：垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲。


5。畸变：被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。


6。色差：由白色物点向光学系统发出一束白光，经该光学系列折射后，组成该束白光的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色光，不能会聚于同一点，即白色物点不能结成白色像点，而结成一彩色像斑的成像误差，称为色差。


球差、慧差所引起的成像模糊现象称为光晕。

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像散：由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑。当前后移动像平面至某一位置（弧矢像面）时，弥散光斑变成垂直于光学系统弧矢面的短线s。


当前后移动像平面至另一位置（子午像面）时，弥散光斑又变成垂直于光学系统子午面的短线t。在子午像面和弧矢像面之间可以找到一弥散光斑最小的成像平面，而在其余位置只能得到一介椭圆形弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。像散的大小由子午焦线t与弧矢焦线s之间的距离表示。

说明：
1。子午像面：轴外物点的主光线与光学系统主轴所构成的平面，称为光学系统成像的子午面。位于子午面内的那部分光线，统称为子午光束。子午光束所结成的影像，称为子午像点t。子午像点所在的像平面，称为子午像面。
2。弧矢像面：过轴外物点的主光线，并与子午面垂直的平面，称为光学系统成像的弧矢面。位于弧矢面内的那部分光线，统称为弧矢光束。弧矢光束所结成的影像，称为弧矢像点s。弧矢像点所在的像平面，称为弧矢像面。

我的上一张帖子正好起到了分隔符的作用

场曲：当调焦至画面中央处的影像清晰时，画面四周的影像模糊；而当调焦至画面四周处的影像清晰时，画面中央处的影像又开始模糊。

好文，值得珍藏！

畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。

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很有用的资料，好

楼主辛苦了，受益非浅

希望对大家有帮助就好，自己辛苦点倒没有什么，呵呵

专业的光学知识！图文并貌收入精品贴中。。。::0023::

原帖由 jiangjian 于 2007-4-18 14:46 发表
专业的光学知识！图文并貌收入精品贴中。。。::0023::

谢谢了。::0022::