关于“球面像差，色散，畸变”

长焦DC必修课:告诉您也许不懂的长焦知识

引言：
　　在上一期的长焦文章里(深入剖析!选购长焦数码相机你了解多少) ,我们深入分析了什么是长焦数码相机，长焦数码相机为何容易获得浅景深，长焦数码相机防抖技术……这几个方面的内容，而对于长焦数码相机镜头的选购要点，还有如何好好运用长焦数码相机展开的还不够深入。这次，笔者将会再和各位一起探讨以上的两个问题，这次，我们着重于摄影基础与实际的结合。希望以下介绍能够起到抛砖引玉的作用，将各位进入更深层次的数码影像世界中。

正文开始

　　在上一篇文章中，大家已经知道目前消费级长焦数码相机的镜头都是变焦镜头。而恰恰由于长焦数码相机其焦段涵盖了广角到长焦的不同焦段，因此，镜头的设计便要同时兼顾以下三个方面的因素：球面像差，色散，畸变。这三个因素不单单影响镜头的设计，更关系到我们使用长焦数码相机时应该注意的事项。

　　在光学业界，针对这三个影响成像的因素都有一系列成熟的解决方案，在镜头设计上，都有专门的结构来有效减轻以上因素对于成像的影响。可以说，熟悉了这三个因素的成因与解决方案便可通过查看其镜头结构，便可了解一款长焦数码相机在成像上的特点与不足。这样便可避免在选购时盲目相信评测与网友留言的情况。

球面像差

　　球面像差是由镜头内的透镜表面是球面而引起的。其现象为：从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移动。




原理示意图

　　一束光线穿过球面镜到达焦平面。平行的光线从镜面的边缘(远轴光线)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(近轴光线)，它的焦点位置则较远离镜片(这种沿着光轴的焦点错间开的量，称为纵向球面像差)。远轴光线与近轴光线的焦点不能落一个垂直的平面上，于是相差便产生了。可以说，球面像差的成因便是：离轴距离不同的光线在镜片表面形成的入射角不同而造成的。因此，如果一枚镜头全部采用球面镜片，那么，球面像差是一个无可避免的相差。





原理示意图

　　由于像差的缘故，在焦平面上便会出现双重影像，第一重影像由在通过镜头中心部分的近轴光线所形成，第二重影像则由通过镜头边缘部分的光线所形成。第二重影像一般环绕在第一重影像四周，形成光斑(Halo，光晕)。这个光斑的半径称为横向球面像差。相差会减低成像的锐度，使人感觉影像缺乏锐度，模糊不清，整体好像蒙上一层淡淡的薄纱，感觉灰蒙蒙的。
在镜头光圈全开，或接近全开时，镜头的通光量大，相差对于成像的影响也大，而口径越大的镜头，影响越明显。这也在一个侧面解释了，为什么在光圈全开始，成像的锐度不如光圈收小一档的问题。因此，我们在使用长焦数码相机的时候，适当收小光圈，可以有效地提高成像画质，增大景深，避免因为光圈过大而引起的焦点较浅，容易跑焦与画面锐度不够的情况。


　　但是需要注意的是：如果像差过大，通过缩小光圈消除像差时，可能会引起聚焦平面(就是焦点)的移动。因此，在以往的镜头评测中，我们常常看到，该镜头在光圈全开时，成像如何如何，在收小一档光圈后，成像明显改善，在多少光圈时，达到最佳成像效果。

　　单靠收小光圈来降低相差对于成像的影响还不是一个根本解决方案。要解决它，需要在镜头设计时下功夫。在技术工艺还不发达的时候，往往采用两枚凸凹透镜的方法来解决。具体的方案为：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、凹两枚镜片加以适当的组合来完成。

　　对于球面镜片的球面像差进行矫正，是件非常困难的事情。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、凹两枚镜片加以适当的组合来完成。这样能够改善球面像差的影响，但不能彻底消除。在目前的技术水平下，要彻底消除相差的影响，就只有采用非球面镜片(Aspherical Lens)这个方法。



原理示意图

　　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。

　　同时，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更为明显。因此设计优秀的广角镜头都会采用非球面镜片来消除像差。对于长焦数码相机而言，其镜头涵盖广角到长焦的不同焦段，因此，为了保证广角段的成像，也需要加入非球面镜去控制相差。推而广之，目前同样较为流行的广角数码相机，要顾及成像都必须加入非球面镜，因此，我们在选购数码相机时，不妨看看其镜头结构，是否包含了非球面镜。

名镜赏识：







佳能17-40 F4 L镜头示意图

　　佳能17-40 F4 L，在镜头设计上使用了3片非球面镜片和一片低色散镜片。低色散镜片用于较厚的镜片。该镜头成像优秀获得了一只好评，在推出当年便获得了ESIA大奖。

小结：

　　看了像差的概念后，我们也可以得出一些使用长焦数码相机的要诀。在机器买回来后，不妨对着同一物品，用不同的光圈值多拍摄几张照片，看看那个才是镜头的最佳成像光圈，在需要拍摄风景，或对成像要求较高的时候，使用该光圈来拍摄。



使用宾得SMC FA SOFT 85/2.8拍摄，当光圈缩小到F8，柔焦效果已不明显了。

　　当然了， 球面像差也不一定是坏事。像笔者之前常使用的宾得SMC FA SOFT 85/2.8就是巧妙地加大球面像差，以达到柔焦的效果。光圈越大，球差越明显，柔焦效果越强。当光圈收小时，成像逐渐锐利，当光圈小于F11的时候，球面像差的效果也达到最小，成像变为了普通镜头的效果。各位如果有机会使用这枚镜头的话，相信对于球面像差的认识也会进一步提高。

色散

　　说完像差之后，我们就离说说色散的问题。像差的概念可能较难理解，但色散就容易理解多了。 大家都知道，我们看到的白光，都是由七色光合成的。而不同颜色的光线，其波长也不同。光学玻璃的折射率又与波长有关。波长不同，折射率不同。波长短，折射率大，波长长，折射率小。当白光通过三菱镜时，我们会看到七色光谱。这种由于波长不同而引起的光谱便成为色散现象。

　　色散对于成像的影响就显而易见了。首先，由于不同色光焦距不同，物点不能很好的聚焦成一个完美的像点，所以成像模糊； 其次，由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，画面边缘部分明暗交界处会有彩虹的边缘。




长焦镜头色散示意图

　　对于长焦镜头而言，由于其焦点距离较长，色散影响较大，如何矫正色散，便成了长焦镜头如何获得鲜艳明亮颜色的关键所在。在长焦镜头里，单单依靠光学玻璃的组合难以较好地纠正色散，因此，使用低色散/超低色散镜片便极其重要了。




色差矫正比较

　　低色散/超低色散镜片，当以佳能的萤石镜片最负盛名。萤石（氟化钙晶体）是一种具有反常色散的矿物质，由于其特殊的结构成分可以大大消除色差。但这种以它作为材质的镜片难以大量生产，一是达到光学级的萤石价格昂贵，二是萤石的物理特性难于加工。而佳能将人造萤石应用在其L等级的镜头上，使其光学品质更上层楼。

　　对于低色散/超低色散镜片，各家的命名也不尽相同。下面，笔者便将各家的列举出来，各位在选购的时候，可以参考。

佳能：L级镜头，一般采用了萤石镜片或超低色散UD镜片（应用于佳能Pro1上）。
尼康：ED镜片，超低色散玻璃镜片（该镜片目前已经应用在尼康的CP8800上）
腾龙：LD镜片，低色散镜片
适马：SLD，超低色散镜片，ELD，特级超低色散镜片
图丽：SD，超低色散镜片


名镜实例：



大家广为熟悉的XB（EF 70-200/2.8L IS USM ）




XB（EF 70-200/2.8L IS USM ）采用了四片UD镜片

小结：

　　知道了色散的影响，我们在选购的长焦机型的时候，便要多做资料了。目前的网上评测样张多是尽量表现相机的成像如何优秀，基本看不出一枚镜头的好坏，这时候，便需要我们自己的一点光学知识，通过参看镜头的结构，大致估计其成像优缺点。当然了，说起镜头结构，便不得不提这些著名镜头结构：高斯结构、双高斯结构、天塞结构、Sonnar（松钠）结构、Planar（普拉那）结构……不同的结构，都在消除色散，像差，畸变上有自己独特之处。但如果在本文中展开叙述则显得有点太深入了，或许以后的文章，我们再来仔细研究一下吧。

畸变　　

　　畸变，每一个焦段的镜头都有畸变。对于广角镜头而言，有广角透视畸变，对长焦镜头而言，有长焦透视畸变。经过上两部分对于镜头结构的深入讨论，为免读者沉闷，在本文的最后一部分，笔者准备换一个角度阐述，在这里，我们会通过更多的图像示例来说明问题。


广角畸变（中间区域向外突出）


长焦畸变（中间区域稍微凹陷）

　　由于小型数码相机的普及，很多玩数码摄影的朋友都没有经过系统的光学训练，在拍摄人像的时候，走得近就zoom近一点，走得远就zoom远一点。其实，这种做法是错误的。因为，不同的焦段都有不同的透视畸变，某些焦段的透视畸变并不适合人像拍摄。下面，就是因为广角透视畸变的例子。

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大鼻子是透视畸变的典型范例

　　如上图所示，大鼻子就是这种类型透视畸变的典型范例。（正像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他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。）

　　要避免，出现这种畸变，便要清楚畸变的成因。下面就让我们来分析一下透视。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，也用相同的方法鉴别透视关系的。同一个物体，再远处会显得比近处小。平行的铁轨因向远处延伸而变得越来越近，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。





前排的树叶被夸张放大了，越到后面，树叶也变得越小

　　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，遍地落叶，贴近一片叶子拍摄，那么，离镜头最近的那片叶子便会显得很大，远离相机的叶子便会变得很少。但是，如果在距离遍地叶子一个适当距离，那么地上每片叶子的大小就会趋于相同了。




换个角度， 实际叶子的大小都是差不多

　　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是产生失真的透视关系，比如实例中怪异的鼻子的根源呢？这是因为，广角镜头视角比较大，因为使用广角镜头拍摄人物特写时，往往需要非常接近被摄体拍摄，拍摄距离越近，透视效果（前面示例中，距离最近的士兵显得最高大）越强烈。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。这就是大鼻子的成因。 其实，不单单是广角镜头，对于任何一种镜头，当非常接近被摄体到一定程度时，都会产生这种失真。越接近被摄体，失真越严重。当我们使用广角镜头拍摄特写时，由于希望拍摄主体充满画面，便要离拍摄主体很近，这么短的距离，恰恰进入了广角镜头的失真距离范围。

　　（换言之，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。）

　　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。从下图的照片中可以非常明显地看到这种现象。马路两边的护栏距离，随着马路的不断延伸，越来越近。

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扁平的透视效果

　　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。正像上面这幅照片中看到，两边的路灯前后间隔似乎越来越近，但其实，两盏路灯间相隔的距离还是一样的。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。

人像焦段

　　既然我们清楚了不论广角镜头还是长焦镜头，都会产生透视畸变，那么，现在，我们将我们刚才的知识运用到人像拍摄中去。我们不想出现大鼻子的现象，也不要由于长焦镜头出现空间过度压缩的“平面”， 那一个焦段的镜头能够尽可能地避免以上情况呢？或者说那一个焦段的镜头最适合拍摄人像呢？经过长时间的经验总结，我们发现，在35mm系统里，85-135mm焦段的镜头比较适合人像拍摄。在这个焦段里，我们总能拍摄到没有明显畸变的人像特写照片。此外，使用这个焦段的镜头还有一个好处，摄影者与被摄影者的距离不会太远而产生心理上的生疏，也不会因为太近而使到摄影者很容易便影响到被摄影者。所以，现在各位也该清楚了，为什么目前135系统里，较为著名的人像镜头都在85-135mm这个焦段中。





(EOS300D拍摄，因为放大率关系，55*1.6=90mm)

　　明白了这个理论，我们在拍摄人像，尤其是人像特写时便要注意了。选用恰当的焦段，如果想比较真实地拍摄人物，就在适当的距离采用85-135mm焦段拍摄。拍摄的时候，先定好一个拍摄的焦段，然后适当地走前点或者走近点拍摄。不要站着不动，站得近就zoom远一点，站得远就zoom近一点。

结语：

　　文章写到这里，就此打住了。其实，关于长焦数码相机的运用，还有很多值得注意的地方。而一些，更是涉及到众多光学基础知识。而在长焦的构图与拍摄上，也有相当多的小技巧。例如，例如虚化背景上，拍摄角度，光圈，摄影距离，长焦段，天气等等对于长焦数码相机在虚化背景上都有影响。 不过限于篇幅，这里不做详细介绍了，希望下次还有机会，为各位慢慢道来。