zemax像差圖分析

1、初級像差深入近軸光線和遠(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)該會聚在焦點上。但是由于近軸光線與遠(yuǎn)軸光線的會聚點并不一致，會聚光線并不是形成一個點，而是一個以光軸為中心對稱的彌散圓，這種像差就稱為球差。球差的存在引

2、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，由于光闌擋去了遠(yuǎn)軸光線，彌散圓的直徑就小，圖像就會清晰。大光圈時彌散圓直徑就大，圖像就會比較模糊。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(孔徑)數(shù)增加一檔（光孔縮小一檔），球差就縮小一半。我們在拍攝時，只要光線條件允許，可以考慮使用較小的光圈(孔徑)來減小球差的影響。彗差是在軸外成像時產(chǎn)生的一種像差。從光軸外的某一點向鏡頭發(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點的像，而是形成不對稱的彌散光

3、斑，這種彌散光斑的形狀象彗星，從中心到邊緣拖著一個由細(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(孔徑)有關(guān)，也與視場有關(guān)。我們在拍攝時也可以采取適當(dāng)采用較小的光圈(孔徑)來減少彗差對成象的影響。像散也是一種軸外像差。與彗差不同，像散僅僅與視場有關(guān)。由于軸外光束的不對稱性，使得軸外點的子午細(xì)光束（即鏡頭的直徑方向）的會聚點與弧矢細(xì)光束（鏡頭的園弧方向）的會聚點位置不同，這種現(xiàn)象稱為象散。像散可以對照眼睛的散光來理解。帶有散光的眼睛，實際上是在兩個方向上的晶狀體曲率不一致，造成看到的點彌散成了一條短線。象散也使得軸外成像的像質(zhì)大大地下降

4、。像散的大小只與視場角有關(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獲得非常清晰的像。在廣角鏡頭中，由于視場角比較大，像散現(xiàn)象就比較明顯。我們在拍攝的時候應(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)對象放在圖面正中央有些沖突，如何掌握就要看實際情況了。場曲當(dāng)拍攝垂直于光軸的平面上的物時，經(jīng)過鏡頭所成的像并不在一個像平面內(nèi)，而是在以光軸為對稱的一個彎曲表面上，這種成像的缺陷就是場曲。場曲是一種與孔徑無關(guān)的像差。靠減小光圈(孔徑)并不能改善因場曲帶來的模糊。用存在場曲的鏡頭拍照時，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

5、，畫面中央處的影象又開始模糊，無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中，故意將底片處于弧形位置，以減少場曲的影響。由于廣角鏡頭的場曲比一般鏡頭大，在拍團(tuán)體照（經(jīng)常使用廣角鏡頭）時采用略帶圓弧形的站位排列，就是為了提高邊緣視場的象質(zhì)?；兪侵肝锼傻南裨谛螤钌系淖冃巍；儾⒉粫绊懴竦那逦龋挥绊懴衽c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。畸變可分為枕型畸變和桶型畸變兩種。造成畸變的根本原因是鏡頭像場中央?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。畸

6、變與鏡頭的光圈F數(shù)大小無關(guān)，只與鏡頭的視場有關(guān)。因此，廣角鏡頭的畸變一般都大于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭或長焦鏡頭。無論是哪一種鏡頭，哪一種畸變，縮小光圈(孔徑)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事。鏡頭的畸變是鏡頭成像造成的，在設(shè)計鏡頭時可以采取各種手段（如非球面鏡）來減小畸變。透視畸變是由視點、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

7、這樣大的畸變，相機就應(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的單色光組成的。而介質(zhì)的的折射率是與波長有關(guān)的，因此成像時不同波長的光線會有差異，使得物上的點成像后產(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的光線會聚點不同而產(chǎn)生彩色彌散現(xiàn)象，后者是由于鏡頭對不同波長的光的放大率不同而引起的。一般的鏡頭設(shè)計都進(jìn)行了消色差計算。但是，要完全消除色差是不可能的。根據(jù)鏡頭的檔次，價格不同，消色差可以對二種波長、三種波長或四種波長的光線進(jìn)行計

8、算。比如，對四種波長進(jìn)行的超復(fù)消色差鏡頭的價格就是非常高的了。CANON公司還把菲涅爾透鏡技術(shù)應(yīng)用到鏡頭的消色差中去，這里就不展開了。如有機會，我們將在其他文章中繼續(xù)討論。各種像差圖表初級球差大的點列圖由于外圈的藍(lán)光大，而紅光和青光比較集中，由兩個情況引起。一 藍(lán)光的球差比較大二 軸向色差比較大初級球差大的垂軸像差此圖像差由兩個情況引起：由圖看出其弧矢場曲，子午慧差，垂軸色差大。由圖，其像斑左右寬，判斷其弧矢慧差和弧矢場曲大三色的像斑不重合，分開的比較大垂軸色差比較大由圖判斷出，其子午慧差，弧矢場曲大和子午垂軸色差大其子午垂軸像差曲線彎曲的厲害子午慧差大其弧矢垂軸像差在原點處的斜率大弧矢場曲大

9、其子午垂軸像差的各色差曲線垂軸向分離的距離大子午垂軸色差大對于此圖的子午垂軸色差在全視場0.6孔徑處垂軸色差小，在全視場負(fù)孔徑處垂軸色差大。例：全視場-0.5孔徑處。子午慧差大的情況由于其子午垂軸像差彎曲的厲害子午慧差大其慧差和垂軸色差大由于像斑有尾巴向上，有正的慧差。像斑有向下的尾巴，有負(fù)的慧差。各色斑不重合，上下分離的厲害，有垂軸色差。由圖看出，其軸向色差中間部分稍大，而且其圖線彎曲的厲害，故高級軸向色差比較大由圖看出，其慧差比較大，有向下的慧尾，其慧差為負(fù)值。初級球差，子午慧差，子午軸外球差，子午場曲和弧矢場曲大初級球差0視場垂軸像差曲線中，各色曲線比較集中，軸向色差不大，但是在接近全孔

10、徑的時候，曲線偏離橫軸厲害，故初級球差大。子午慧差在子午垂軸像差曲線中，曲線彎曲的厲害。子午場曲在子午垂軸像差曲線中，0孔徑部分曲線的斜率比較大。弧矢場曲在弧矢垂軸像差曲線中，0孔徑部分曲線的斜率比較大。子午軸外球差在子午垂軸像差曲線中，全視場全孔徑兩端連線與0孔徑切線的夾角大。此圖中還包含著高級子午慧差像差。由圖看出，包含有高級子午場曲，高級畸變由圖看出其軸向色差和初級球差大軸向色差，初級球差，垂軸色差慧差可能還大些由圖看出初級球差大0視場的像斑看出軸向色差0視場各色像斑重合的不好，形成了光環(huán)由圖看出垂軸色差，初級球差，軸向色差，弧矢場曲大和子午場曲大圖示：垂軸色差，軸向色差大軸向色差各色曲線上下分離的厲害弧矢場曲弧矢垂軸像差曲線在原點處切線的斜率大子午慧差子午垂軸像差曲線兩個端點連線與Y軸交點離原點比較遠(yuǎn)圖示：垂軸色差大垂軸色差各色光曲線上下分離的厲害圖示：初級球差，軸向色差初級球差垂軸像差曲線離X軸比較