關于ZEMAX像差深入以及像差各種圖表分析和介紹

初級像差深入

近軸光線和遠軸光線的概念。

近軸光線和遠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軸光線，而由近軸光線來成像。

總的來說，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。從無窮遠處來的平行光線在理論上應該會聚在焦點上。但是由于近軸光線與遠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的。

小光圈時，由于光闌擋去了遠軸光線，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，也與視場有關。我們在拍攝時也可以采取適當采用較小的光圈(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。由于軸外光束的不對稱性，使得軸外點的子午細光束（即鏡頭的直徑方向）的會聚點與弧矢細光束（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。像散的大小只與視場角有關，與孔徑是沒有關系的。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的像差?？繙p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，當調(diào)焦至畫面中央處影象清晰，畫面四周影象就模糊；而當調(diào)焦至畫面四周影象清晰時，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)。

畸變

是指物所成的像在形狀上的變形。畸變并不會影響像的清晰度，而只影響像與物的相似性。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?；兛煞譃檎硇突兒屯靶突儍煞N。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。

畸變與鏡頭的光圈F數(shù)大小無關，只與鏡頭的視場有關。因此，廣角鏡頭的畸變一般都大于標準鏡頭或長焦鏡頭。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。如果拍照片有這樣大的畸變，相機就應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。一般的鏡頭設計都進行了消色差計算。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行計算。比如，對四種波長進行的超復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應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

由于外圈的藍光大，而紅光和青光比較集中，由兩個情況引起。

一． 藍光的球差比較大

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：

一．球差在0.8到1視場的球差比較大

二．軸向色差在0.8到1視場的軸向色差比較大

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

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

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軸比較遠

軸向色差——各色曲線上下分離的厲害

圖示：初級球差，軸向色差

初級球差——0視場的像斑比較大

軸向色差——各色光的像斑沒有重合，分離的厲害

圖示：初級球差（主要是在全孔徑處），軸向色差（主要是在全孔徑處），子午垂軸色差，子午慧差，子午場曲，弧矢場曲

圖示：初級球差（0視場像斑大），軸向色差（0視場各色像斑分散）,垂軸色差（各色斑上下分離的厲害）