镜头的像差 Aberrations of Lens

镜头的像差是各种不能完美无缺成像的偏差。产生镜头的像差的原因是某一特定种类的光学玻璃或塑料对光线中所有的光波的折射能力的不同，同时也因为镜头的曲率虽然可以使从某一角度射来落到镜头表面一个特定区域的光线聚焦，但可能不足以（或超过）使从不同角度射到同一区域的光线聚焦。结果就可能会出现下列的一种或多种情况。

1. 从物体上某一特定的点上散发出来的光线（或构成光线的波长）并不相应会聚（聚焦）成清楚的影像点，而是形成一个微小的弥散光斑。

2. 在被摄体距离上聚焦，来自被摄体的一个平面上的物体的光线，并不都在一个相应的平面上成像。

3. 在与镜头轴成横向的各个距离上的物体射来的光线，并不正好在与镜头轴成相应的平面上成影。

这些因素所产生的各种像差将在下面进行讨论。像差在镜头设计和制造中得到校正，方法是：将具有不同程度的表面曲率和间隔的不同种类玻璃的镜片合成在一起，这样，一种镜片的性能上的缺陷就被另一种镜片所抵消。“校正”是一个相对的词，因为像差是不能完全消除的；从实用角度看，就是将像差减少到在某一特定的镜头用来完成一种任务时，对影像质量的影响可以不计的程度。现代摄影用途的镜头，即使价格很低廉的，一般说，其校正的程度至少等同于50-75年前最好的镜头。今天，最完善的镜头几乎不存在的基本像差，它们所摄取的影像质量之高已超过当代各种胶片所能记录的。

非球面透镜Aspheric Lens

一片光学镜片，或者与一个复合镜头相结合的镜片，至少一个表面上不同部位的点，没有共同的球心，它就是非球面的。一个含有一片这种镜片的复合镜头也叫非球面镜头。大多数透镜都是球面：所以在一特定表面上的各点和球心（半径或中心点）的距离都是相等的，一个透镜的前表面和后表面差不多总是不同半径的球面。这一设计原理产生了球面像差，可以加入一片非球面镜片来加以校正。非球面表面可以是连续曲线如抛物面（一般是如此）的一部分，或双曲面曲率，如在施密特照相机中的校正板和类似的系统。

设计和研磨出一个高质量的非球面是极端困难的；由于这个原因，非球面透镜原来只是局限于模压玻璃透镜，不用于成像路线如放映机和放大机照明部分的聚光镜。今天，光学设计和透镜研磨机械控制非常高级的计算机程序的发展，再加上易于模压的高级光学质量的塑料，已使非球面透镜在照相机镜头中既实用又普遍了。

影像解析Image Dissection

一个影像可以分成大量的独立的点，代替统一的完整的视觉图案，记录在一幅胶片上。这种技术称为影像解析，用于拷贝机上，以正常的操作速度在每个画面上记录数百个文件。作为一种高速摄影的技术，影像解析能够做到以相当每秒高达1亿幅的速率在一幅画面上记录数次曝光。其原理在于把系统中的动作减少到最低程度，因为动作要占用时间，那就会限制潜在记录速度。胶片是不动的，所需的动作是通过光学的方式来完成像点的偏离。如果解析的影像上的诸点之间的间隔距离，相当于25个点的宽度。那么为了把另一个影像的点放到第一个影像的那些点的旁边，则只需要偏离一个点的宽度——即普通的整幅全点记录所需距离的1/25。

来自相机镜头的原来影像可以由胶片之前的多重透镜屏（脊形柱镜、十字柱镜格栅、或者蝇眼式微型球面透镜阵）加以解析。或者在胶片一端通过光学纤维束进行解析，此时纤维被间隔成所需的数量。影像偏离的完成通常用移动透镜屏，在相机镜头之后使用带有螺旋形排列的扫描孔的旋转圆盘（Nipkow尼普科夫扫描盘，这样会显著地降低影像亮度），或者利用与扫描照相机的旋转镜相似的装置，所记录的影像通过配套的系统（往往是相机本身）把它们投射回去加以观看，这样每一个影像的诸点通过单一的相机/投影机镜头而结为一体。影像解析在同电子影像管结合起来时能产生每秒10亿幅以上的记录速率。

影像还可以借助扫描器或者电荷耦合器件以解析成与每个像点对应的模拟的或数据的电信号。这些信号能用计算机传送、存储和处理；数字系统要更加通用和先进得多。

照明单位Light Units

由于用途不同，光的种类各异，因此光的单位颇多。本文只讲普通摄影用的光的单位。

光源的强度用坎［德拉］（candela。简写cd）或烛光（cp）表示。某种光源发出的辐射能或光通量用流明（lumens 、lm）测量。一个坎［德坎］或烛光源发出12.6流明的能量。由于光通量呈辐射状发出，因此离光源越远，散布面就越大；所以在整个散布面的任何一点上所接受的光是随距离的变化而变化的，光通量与距离的平方成反比。就摄影而言，重要的因素是射向一个表面的照明——入射光或照度。照度以照射在一定平方面积上的光通量为单位，即平方米英尺流明（Lm/ft），旧称英尺烛光（fc）；平方米流明（lm/ft、勒克斯、Lx）。从一个表面反射的光量（或一个辐射面发出的光量）取决于照度和该表面的反射能力或漫射能力。反射光或表面辉度称之为亮度。亮度用坎［德拉］平方米（cd/m）〔亦称尼特（nit）〕测量，也可以用烛光平方英尺（c/ft）测量。其他测量亮度的单位还有朗伯（流明平方厘米，Lm/cm）、英尺朗伯（流明平方英尺、Lm/ft）和阿熙提（apostilb流明平方米、Lm/m）。所有这些单位所涉及的都是就一般所谓亮度而言的，是以光的强度的一种主观印象。

接受或发出的光的总量是强度和时间两个因素的产物。例如，曝光是指多亮的光在多少时间内照在感光乳剂上。一个表面所接受的光的总量是照度和时间。米烛光秒（mcs）、英尺烛光秒（fcs）、或瓦秒（焦［耳］）平方厘米测量。非连续输出光源是用光通量比时间来测量的。单位是流［明］秒（Lm.sec）、烛光秒(cps)或瓦［特］秒(w/s)亦称焦［耳］(J)。下表的单位换算是：

光的单位换算
光源强度光通量
烛光 2.6流明
烛光 0.02瓦［特］*
流明 0.08烛光
流明 0.0015瓦［特］*
瓦［特］ 54烛光*
瓦［特］ 680流明*

照度；入射光
英尺烛光 10.75勒［克斯］米
(Lm/ft) 烛光(Lm/m)
勒［克斯］ 0.09英尺烛光

亮度；反射光；表面辉度
烛光/平方英尺 10.75烛光/平方米(尼特)
烛光/平方英尺 3.14流［明］/平方英尺(英尺朗伯)
米光平主米(尼特) 0.09烛光/平方英尺
烛光平主米 0.28流［明］/平方英尺(英尺朗伯)
英尺朗伯 10.75流［明］/平方米(阿熙提)

受光量
米.烛光.秒 0.09英尺.烛光.秒
英尺.烛光.秒 10.75米.烛光.秒

发光量
流明秒 0.08烛光秒
流明秒 0.0015瓦秒(焦耳)*
烛光秒 12.6流明秒
烛光秒 0.0059瓦秒(焦耳)*
瓦［特秒］焦耳 680流明秒*
瓦［特］秒 54烛光秒*
*普通摄影用的宽波段光的换算近似值。

入射光：近似照明光量
英尺烛光勒［克斯］
1 11
2 22
3 44
8 85
16 170
32 345
65 700
130 1400
260 2800
500 5400
1000 10750
2000 21500
4000 43000
7500 77500*
8000 85000
16000 172000
32000 344000
*指约在F/16，速度1/胶片感光速度情况下的阳光照射物的平均照度。

等级曝光Bracketing

等级曝光是以若干不同的曝光组合拍摄被摄体的技术,目的在于尝试或确定至少有一组曝光是可取的,或者为了获得富于表现力的各种不同色彩饱和度,强光部分或阴影部分的细节或类似的因素。拍摄静止不动的被摄影体(例如静物、建筑、风景)，除了曝光的对象，其画面和曝光都有区别。使用负片时，依次改变相当于一级的曝光量就够了，使用彩色反转片（幻灯片），最多只能改变相当于半级的曝光量。其作法是，可以改变镜头的光圈或快门速度，或者调整曝光表中的胶片感光度盘上都有+和-标志，便于使自动曝光控制系统进行等级曝光。在多数情况下，有效的等级曝光的范围，包括比假设的正确曝光量增加两级曝光到减少两级曝光。

等级曝光的原则被用于制作试条来决定制片的曝光和决定改变冲洗的效果。最复杂的等级曝光形式，是把曝光不同与显影不同结合起来进行，把曝光的改变与彩色制片的过滤结合起来，以便获得极富资料价值的环形图。这种有条理的作法是获取重复的然而是有用的结果所必不可少的。
EV值系统(Exposure Value) System

曝光值（EV）系统是用以控制半自动曝光调节的机械连接系统。在有内装快门的镜头上使用的这一系统，主要用于小片幅相机，而现在大体上已为自动曝光控制的电子方法所取代。

EV值系统是一种数字刻度，每一数字代表一系列相等的曝光档次。比如，曝光值10代表1/500秒，光圈，f/1.4和可以产生相同曝光的所有其它快门与光圈级数的结合（在镜头限制范围内）。当一只EV值系统镜头定在某一特殊的曝光值数上，它实际上就是将光圈和速度的控制在恰当的调整位置上进行内联。因此，每当一种控制（对光圈或速度——译注）的位置也改变了自己的调节位置，以维持其相同的相关的曝光。不同的曝光可以通过将镜头定在不同的EV值所需要的某种情形取决于对一个简单的曝光估计图表的参考，或者取决于提供EV值以及光圈级数快门速度读数的曝光表的使用。

衍射光栅Diffraction Grating

衍射光栅是一种波长分光仪，用于展现光的色彩成分。光栅是透明或反射表面上一种非常精美暗色线条的图案。这些线条是平行的，每一英寸内有1000或更多的线条（每厘米395条）。当光线透过光栅或反射回去，衍射使每一道光波产生不同程度的折射，其结果，白光散射成全色谱。混合的彩色光展现其组成的颜色，而单色光则产生交错的明暗光带图案。透射衍射光栅用于摄谱学的仪器，因为它们将光分成等宽的带状，而棱镜却产生从紫色端到红色端的带状光谱，它们的宽度逐步交窄。

放大率Magnification

放大率是指胶片上物体影像的大小与实际物体的大小之比，即“影像：物体”或“I/O”。在大部分照片中，影像比物体小。所以，用比例或分数的形式来表示，如1：5或1/5。如将分数化为商数，一般都在商数后面加一个“×”号，表示它是几倍，而不是实际大小。如1/5=0.5×。当放大率或倍数小于“1”时，实际上是光学缩小。当放大率是“1：1”（1×1）时，影像与实物同大；光放大率大于“1”时，如3：1或3×，则是放大，拍摄出来的影像属于微距摄影范围；如是20X或更大，则属于显微摄影领域。

如用的是后背取景摄影机（外景照相机），可以在取景屏上量出物体的影像的大小。这样，放大率=影像大小÷物体大小。如用的是片幅的摄影机，从该边看到的置于物体上的比例尺的长度作为物体的大小。比如，一台35毫米摄影机收取景屏的短边是1英寸，而在该边所看到的比例尺的长度是2英寸，则放大率是1÷2=0.5×。
放大率还可以从镜头至胶片和镜头到物体的距离（即影像距离和物体距离）与镜头焦距来决定。影像距离和物体距离，可以从标准镜头的光圈和对称结构镜头的光圈来测量，或从广角镜头和远摄镜头的两个节点之间的中点来测量，计算放大率的方法如下：

（1）影像距离÷物体距离；

（2）（影像距离—焦距）÷焦距；

（3）焦距÷（物体距离—焦距）。

对广角和远摄影镜头来说：第一个方法比其他两个方法更为准确些。

放大率（M）大于1：3时，除非通过镜头测光，否则，要进行曝光补偿。需要增加曝光的因数是（M+1）2。如果镜头的光瞳放大（P）是在0.9—1.2的幅度以外，必须将它加以考虑。
对正常安装的镜头来说，增加曝光的因数是：［（M÷P）+1］2。当镜头是倒装必须得到最佳的近摄清晰度时，计算方法是：［（M÷P）+12］。

对放大率相片来说，影像的放大倍数等于底片放大率比乘以放大倍数。比如，底片放大率是0.25(1：4)放大10倍，则相片的放大率是0.25×10=2.5×。

放大率与成像比（Reproductionratio）相同。

防光晕层Anti-halation Layer

防光晕层是用吸收光线的物质涂在胶片的片基上，或者混入片基中，以防止片盒腔背面反射出来的光线造成杂散曝光。多数普通三醋酸纤维素片基的胶片，在片基上涂有一层半透明的防光晕层。胶片在冲洗时、吸收光线的物质溶化、使显影液或定影液染有轻微的颜色，这种现象不影响溶液再使用时的功能，常常在冲洗后的胶片上看到带有紫色或粉色残留的色泽，在底片上是分布均匀的，不影响制作照片的效果。聚醋片基的胶片中含有灰色染料，以防止光晕。染料在冲洗胶片时并不溶化，使底片出现一种特有的灰色色泽，但它不影响制作照片。有几种胶片，主要是柯达克罗姆彩色片，有一层不反光的背衬，它是由炭粒子组成的，在用机器冲洗过程中，它就从胶片上全部移去。

色彩平衡Color Balance

一幅影像中几种彩色彼此之间的关系，尤其是原被摄体的几种彩色之间的关系，叫做色彩平衡。它通常根据彩色的明显逼真度、中灰（白和灰）的纯度（不带色彩）以及像皮肤色调这样的重要部位估价。色彩平衡可以调整，办法是当制作胶片或对照片曝光时选择乳剂和使用滤光镜。当照明条件合适时，色彩平衡意味着组成光的几种波长具有相应的比例。乳剂的色彩平衡涉及到所使用的照明。因为它将产生“真实的”彩色再现而无须使用校色滤光镜。它通常根据像“日光型”或“灯光型”这种普通词或根据具体的色温（例如：3200K）来加以识别。

边缘效应Edge Effects

影像上某些密度失真，其产生的原因是冲洗过程中局部药物相互作用的结果，这种现象叫做边缘效应。它也叫做邻界效应(adjacency)，或浓边效应（border）。这种效应产生在两个区域的边界之处，这两个区域接收了不同程度曝光，因此在冲洗时，产生不同程度的化学活度。通常，边缘效应是因为疲竭了的显影液或抑制性的副产品渗入到一个区域，减少了化学活度而产生的。这两个区域中曝光较多的是那一个区域的边缘内增加了显影，就产生了厚实的密度，这叫做“麦基线”。当麦基线处在一个非常狭窄的共同区域的两个边缘之处——或者这条线围绕着一个很小的点的内侧边缘时——麦基线就合并起来产生一个综合的密度，这种现象叫做“埃伯哈德效应”（Eberhard effect）。曝光基本相同的两个区域的边缘之间显影减少，这种现象叫做“科斯京基效应”。这种现象表现为明显的两个影像之间的位移，或者位置相隔很近的物体影像（如平行线）变得狭窄。

卡利尔效应Callier Effect

在使用聚光放大机时，能增加底片有效印制反差的光散射叫做卡利尔效应，它是由比利时物理学家安德烈•卡利尔于1909年发现的。卡利尔提出了一种测量基本效应（Q—因数）的方法。当聚光照明系统发出的基本上属于平行的光束通过底片时，强光部分中相对较大的密度区域会散射一部分光，而在影像几乎透明的阴影部分，光线很少散射或根本不散射。结果，放大照片（放大）上的强光部分得到的曝光受到了耗损，正如在其它照明系统中使用密度范围较大（反差较大）的底片会出现的情况那样。使用漫射光放大机放大或使用接触印相法印相时不会出现卡利尔效应。因此，采取这种印制程序的底片为了取得跟在聚光放大机中所用的确良底片所具有的那样有效的印制反差，在显影时要力求比实际反差高一些。

电子成像Electron Imaging

电子成像这一领域包括非常广泛的系统：利用受控制的电子能在屏幕上产生影像，这些影像可以用照相机摄入镜头，也可以直接用照机材料进行曝光。最普通的电子成像系统就是电视。在电视机中，聚焦在摄像管上的光学影像被转变为不同的信号，在接受器中，将信号变成强弱不同的是电子束，并在磷涂层的画屏上相应地“绘”出影像。其它阴极线管装置，如示波器和雷达指示器的影像显示，也都是由电子束产生的，这些屏幕上的显示可以普通照相机和胶片拍摄下来。另外，如果设备许可，胶片可以直接用电子束来曝光，这样可以获得较高质量的影像，图像的分辨率大大增加。

从收星上传送的很高质量的照片是用电子照相机拍摄的。从影像衍成的信号被传送到地球上，然后用电子束扫描方法，直接曝光于胶片上，光束直接曝光法也用于从计算机处理的影像上获得照片。计算机的输出端控制光束的强弱和在胶片面上移动。
电子成像产生极高的分辨率，因为一个典型的电子束比最短的光波窄40至200倍，这就是在拍摄电子显微镜的屏幕显示时，可能获得放大6000000X的显微短片，或者用直接电子曝光法，可获得高于1000000X的显微照片。

电子束体积小，可以永久性地在胶片乳剂特定范围内记录比光线曝光更多的数字资料。同样，一个电子光束可以使光阻材料精确地直接曝光，其尺寸比光曝小许多倍。光阻材料对光线并不敏感，但它却由于电子曝光而变硬，这一技术是用来生产计算机微型集成电路块的，它们可以装有许多数量的无件，崦这些元件的大小或所占的位置比一个光波长还小。

反射率Reflectance

反射率是测定一个表面对光线反射的程度；它是一个比例：
反射率÷入射光

实际上，一种物体的反射率是与一个标准面（参考面）的反光量相比较而决定的。这种标准面的纯白色，能将各种光波均匀地反射出来，可以说，它是一种极完善的漫射反光体（对光线的吸收不到3%，能在180°的立体角上将光线均匀地反射到所有各个方向。标准面是从45°角进行照明，反射出来的光线则是从正面，即与标准面成90°的角度进行测定，然后，对样品物体也进行同样的照明与测量，这样，便可以求出反射率（R）。
R=样品面光线测定数÷标准面光线测定数
表面的反射，或反射率百分比，是：%R=%×100
吸收率（A）是反射率的倒数：A=1÷R

如是透明或半透明物体，有些光线被反射，有些光线被吸收，有些则被透射过去，如将入射光的总量定为I，则这三个因素的总和便是I，这叫“反（R）吸（A）透（T）定律”（RATLaw，反射-吸收-透射定律：）
R+A+T=1.0

这样，如果知道其中两个因素。第三个因素就可以计算出来，当使用百分比时，则：反射+吸收+透射=100

相片的密度是用反射率的方法来测定的，一个反射密度计从45°角将已知强度的光线照射到一个选定点上，一个光敏文件则从90°角测定反射光。测定的结果便是“反射密度”DR，它是吸收率的对数，因此：
DR=LogA 或 =Log1÷R

对于黑白相片,是在它的某一部位测定它的密度;对于彩色片,则要通过红、绿、蓝滤光镜来分别测定三个密度。

carry520	2008-10-06 08:15
进入光学设计的一小步.

sophie	2008-10-29 13:30
好资料，收藏了

lxd4520	2008-11-17 16:18
这么多啊！

wenbo008	2009-04-19 13:21
受益匪浅啊，太好了！分享了，版主！

luohualh	2009-06-25 11:48
受教了

teresa30	2009-07-06 16:07
学习了，谢谢

jnsxl0209	2012-08-14 15:36
学习了~~

查看本帖完整版本: [-- 镜头的像差 Aberrations of Lens --] [-- top --]