ZEMAX像差深入以及像差各種圖表分析

1、ZEMAX像差深入以及像差各種圖表分析目錄隱藏 · 1初級(jí)像差深入o 1.1球差o 1.2彗差o 1.3像散o 1.4場(chǎng)曲o 1.5畸變· 2各種像差圖表o 2.1初級(jí)球差大的點(diǎn)列圖o 2.2初級(jí)球差大的垂軸像差o 2.3子午慧差大的情況o 2.4其慧差和垂軸色差大初級(jí)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(huà)的是主光軸情況）?？s小的光圈可以攔去遠(yuǎn)軸光線，而由近軸光線來(lái)成像。總的來(lái)說(shuō)，鏡頭的像差可以分成兩大類(lèi)，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(chǎng)曲，以及影響物象相似

2、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(diǎn)的聚光能力不同而引起的。從無(wú)窮遠(yuǎn)處來(lái)的平行光線在理論上應(yīng)該會(huì)聚在焦點(diǎn)上。但是由于近軸光線與遠(yuǎn)軸光線的會(huì)聚點(diǎn)并不一 致，會(huì)聚光線并不是形成一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)以光軸為中心對(duì)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(guān)的。小光圈時(shí)，由于光闌擋去了遠(yuǎn)軸光線，彌散圓的直徑就小，圖像就會(huì)清晰。大光圈時(shí)彌散圓直徑就大，圖像就會(huì)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(huì)事，不可以混為一談的。球差可以通過(guò)復(fù)合透鏡或者非球面鏡等辦法在最大限度下消除的。

3、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?cè)谂臄z時(shí)，只要光線條件允許，可以考慮使用較小的光圈(孔徑)來(lái)減小球差的影響。 彗差是在軸外成像時(shí)產(chǎn)生的一種像差。從光軸外的某一點(diǎn)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(gè)點(diǎn)的像，而是形成不對(duì)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(gè)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(chǎng)有關(guān)。我們?cè)谂臄z時(shí)也可以采取適當(dāng)采用較小的光圈(孔徑)來(lái)減少彗差對(duì)成象的影響。像散也是一種軸外像差。與彗差不同，像散

4、僅僅與視場(chǎng)有關(guān)。由于軸外光束的不對(duì)稱性，使得軸外點(diǎn)的子午細(xì)光束（即鏡頭的直徑方向）的會(huì)聚點(diǎn)與弧矢細(xì)光束 （鏡頭的園弧方向）的會(huì)聚點(diǎn)位置不同，這種現(xiàn)象稱為象散。像散可以對(duì)照眼睛的散光來(lái)理解。帶有散光的眼睛，實(shí)際上是在兩個(gè)方向上的晶狀體曲率不一致，造成 看到的點(diǎn)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(chǎng)角有關(guān)，與孔徑是沒(méi)有關(guān)系的。即使光圈開(kāi)得很小，在子午和弧矢方向仍然無(wú)法同時(shí)獲得非常清 晰的像。在廣角鏡頭中，由于視場(chǎng)角比較大，像散現(xiàn)象就比較明顯。我們?cè)谂臄z的時(shí)候應(yīng)該盡量使被攝體處于畫(huà)面的中心。這好象與構(gòu)圖要求不把主要表現(xiàn)對(duì)象放在 圖面正中央有些沖突，如何掌握就要看實(shí)際

5、情況了。場(chǎng)曲當(dāng)拍攝垂直于光軸的平面上的物時(shí)，經(jīng)過(guò)鏡頭所成的像并不在一個(gè)像平面內(nèi)，而是在以光軸為對(duì)稱的一個(gè)彎曲表面上，這種成像的缺陷就是場(chǎng)曲。場(chǎng)曲是一種與孔徑無(wú)關(guān)的像差。靠減小光圈(孔徑)并不能改善因場(chǎng)曲帶來(lái)的模糊。用存在場(chǎng)曲的鏡頭拍照時(shí)，當(dāng)調(diào)焦至畫(huà)面中央處影象清晰，畫(huà)面四周影象就模糊；而當(dāng)調(diào)焦至畫(huà)面四周影象清晰時(shí)，畫(huà)面中央處的影象又開(kāi)始模糊，無(wú)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(jī)中，故意將底片處于弧形位置，以減少場(chǎng)曲的影響。由于廣角鏡頭的場(chǎng)曲比一般鏡頭大，在拍團(tuán)體照（經(jīng)常使用廣角鏡頭）時(shí)采用略帶圓弧形的站位排列，就是為了提高邊緣視場(chǎng)的象質(zhì)?；兪侵肝锼傻南裨谛螤钌?/p>

6、的變形?；儾⒉粫?huì)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(chǎng)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?；兣c鏡頭的光圈F數(shù)大小無(wú)關(guān)，只與鏡頭的視場(chǎng)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(zhǎng)焦鏡頭。無(wú)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(huì)事。鏡頭的畸變是鏡頭成像造成的，在設(shè)計(jì)鏡頭時(shí)可以采取各種手段（如非球面鏡）

7、來(lái)減小畸變。透視畸 變是由視點(diǎn)、視角、鏡頭指向（俯仰）等因素決定的，這是透視的規(guī)律。無(wú)論是何種鏡頭，如果視點(diǎn)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(lái)的。如果拍照片有這樣大的畸變，相機(jī)就應(yīng)該丟到垃圾桶里去了。最 后再說(shuō)一說(shuō)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(zhǎng)的單色光 組成的。而介質(zhì)的的折射率是與波長(zhǎng)有關(guān)的，因此成像時(shí)不同波長(zhǎng)的光線會(huì)有差異，使得物上的點(diǎn)

8、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(zhǎng)的光線會(huì)聚點(diǎn)不同而產(chǎn)生彩色彌散現(xiàn)象，后者是由于鏡頭對(duì)不同波長(zhǎng)的光的放大率不同而引起的。一般的鏡頭設(shè)計(jì)都進(jìn)行 了消色差計(jì)算。但是，要完全消除色差是不可能的。根據(jù)鏡頭的檔次，價(jià)格不同，消色差可以對(duì)二種波長(zhǎng)、三種波長(zhǎng)或四種波長(zhǎng)的光線進(jìn)行計(jì)算。比如，對(duì)四種波長(zhǎng) 進(jìn)行的超復(fù)消色差鏡頭的價(jià)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(kāi)了。如有機(jī)會(huì)，我們將在其他文章中繼 續(xù)討論。各種像差圖表初級(jí)球差大的點(diǎn)列圖由于外圈的藍(lán)光大，而紅光和青光比較集中，由兩個(gè)情況引起。一 藍(lán)光

9、的球差比較大二 軸向色差比較大初級(jí)球差大的垂軸像差此圖像差由兩個(gè)情況引起：一球差在0.8到1視場(chǎng)的球差比較大二軸向色差在0.8到1視場(chǎng)的軸向色差比較大由圖看出其弧矢場(chǎng)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(chǎng)曲大三色的像斑不重合，分開(kāi)的比較大垂軸色差比較大由圖判斷出，其子午慧差，弧矢場(chǎng)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(diǎn)處的斜率大弧矢場(chǎng)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(duì)于此圖的子午垂軸色差在全視場(chǎng)0.6孔徑處垂軸色差小，在全視場(chǎng)負(fù)孔徑處垂軸色差大。例：全視場(chǎng)-0.5孔徑處。子午慧差大的情況由于其子

10、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(jí)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(jí)球差，子午慧差，子午軸外球差，子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲大初級(jí)球差0視場(chǎng)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(shí)候，曲線偏離橫軸厲害，故初級(jí)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(chǎng)曲在子午垂軸像差曲線中，0孔徑部分曲線的斜率比較大?；∈笀?chǎng)曲在弧矢垂軸像差曲線中，0孔徑部分曲線

11、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(chǎng)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(jí)子午慧差像差。由圖看出，包含有高級(jí)子午場(chǎng)曲，高級(jí)畸變由圖看出其軸向色差和初級(jí)球差大軸向色差，初級(jí)球差，垂軸色差慧差可能還大些由圖看出初級(jí)球差大0視場(chǎng)的像斑看出軸向色差0視場(chǎng)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(jí)球差，軸向色差，弧矢場(chǎng)曲大和子午場(chǎng)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(chǎng)曲弧矢垂軸像差曲線在原點(diǎn)處切線的斜率大子午慧差子午垂軸像差曲線兩個(gè)端點(diǎn)連線與Y軸交點(diǎn)離原點(diǎn)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(jí)球差，軸向色差初級(jí)球差垂軸像差曲線離X軸