照相机构造原理(6)——像差和镜头等级

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1、照相机构造原理（6）——像差和镜头等级编者按：日常使用的照相镜头由于受光学设计、加工工艺及装调技术等诸多因素的影响，要对一定大小的物体成理想象是不可能的，它实际所成的象与理想象总是有差异，这种成像的差异就称为镜头（或成像光学系统）的像差。像差对成像质量的影响照相镜头的等级标准日常使用的照相镜头由于受光学设计、加工工艺及装调技术等诸多因素的影响，要对一定大小的物体成理想象是不可能的，它实际所成的象与理想象总是有差异，这种成像的差异就称为镜头（或成像光学系统）的像差。像差是由光学系统的物理条件（光学特性指标）所造成的。从某种意义上来说，任何光学系统都存在有一定程度的像差，而且从理论上来讲

2、总也不可能将它们完全消除。肉眼和其他光能接收器也只具有一定的分辨能力，因此只要像差的数值小于一定的限度，我们就认为该系统的像差得到了矫正。下面我们简单扼要介绍照相镜头的像差分类、形成和矫正方法。透镜的像差可以分成两大类：单色像差及色像差。一、单色像差如果镜头只对单色光成像，那么共有五种性质不同的像差．它们是影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似程度的畸变。1、球差由光轴上某一物点向镜头发出的单一波长的光线成像后，由于透镜球面上各点的聚光能力不同，它不再会聚到象方的同一点，而是形成一个以光轴为中心的对称的弥散斑，这种像差称为球差，球差的大小与物点位置和成像光束的孔径角

3、大小有关。当物点位置确定后，孔径角越小所产生的球差也就越小。随着孔径角的增大，球差的增大与孔径角的高次方成正比。在照相镜头中，光圈数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。因此在拍摄时，只要光线强度允许，就应该使用较小的光圈拍照，以便减小球差的影响。2、彗差光轴外的某一物点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在象平面上会形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状呈彗星形，即由中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。这种轴外光束引起的像差称为彗差。彗差的大小是以它所形成的弥散光斑的不对称程度来表示。彗差的大小既与孔径有关，也与视场有关。在拍摄时与球差

4、一样，可采取适当收小光孔的办法来减少彗差对成像的影响。摄影界一般将球差和彗差所引起的模糊现象称为光晕。在绝大多数情况下，轴外点的光晕比轴上点要大。由于轴外像差的存在，我们对于轴外象点的要求不应该比轴上点高，至多一致，即两者具有相同的成像缺陷，此时我们称等晕成像。随着相对孔径的增大，球差和彗差的校正将更加困难，放在使用大孔径镜头时，应事先了解镜头的性能，注意到那档光圈渐晕最小，在可能情况下，应尽量缩小光孔，以提高成像质量。3、象散象散也是一种轴外象基，与彗差不同，它是描述无限细光束成像缺陷的一种像差，仅与视场有关。由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束的会聚点与弧矢细光束的会聚

5、点各处于不同的位置，与这种现象相应的像差，称为象散。子午细光束的会聚点与孤矢细光束的会聚点之间距离在光轴上的投影大小，就是象散的数值。由于象散的存在，使得轴外视场的象质显著下降，即使光圈开得很小，在子午和弧矢方向均无法同时获得非常清晰的影象。象散的大小仅与视场角有关，而与孔径大小无关。因此，在广角镜头中象散就比较明显，在拍摄时应尽量使被摄体处于画面的中心。4、场曲当垂直于光轴的物平面经光学系统后不成像在同一象平面内，而在一以光轴为对称的弯曲表面上，这种成像缺陷称为场曲。场曲也是与孔径无关的一种像差。由于象散的存在，子午细光束所形成的弯曲象面与弧矢细光束所形成的弯曲象面往往不重合，它们

6、分别称为子午场曲Xt和弧矢场曲Xs。用存在场曲的镜头拍照时，当调焦至画面中央处影象清晰，画面四周影象就模糊；而当调焦至画面四周影象清晰时，画面中央处的影象又开始模糊，无法在平直的象平面上获得中心与四周都清晰的象。因此在某些专用照相机中，故意将底片处于弧形位置，以减少场曲的影响。因为广角镜头的场曲总是比一般镜头大，因此在拍团体照时将被摄体作圆弧形排列，就是为了提高边缘视场的象质。5、畸变畸变是指物体所成的象在形状上的变形。畸变并不影响象的清晰度，只影响物象的相似性。由于畸变的存在，物空间的一条直线在象方就变成一条曲线，造成像的失真。畸变分桶形畸变和枕形畸变两种。畸变与相对孔径无关，仅与

7、镜头的视场有关。所以在使用广角镜头时要特别注意畸变的影响。