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。

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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）。

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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）。

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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）。

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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。

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