6-像差理论.ppt

§6 光线的光路计算和像差理论 §6.1 概述 §6.2 光线的光路计算 §6.3 轴上点球差 §6.4 正弦差、彗差 §6.5 像散和场曲 §6.6 畸变 §6.7 色差 §6.8 像差综述 1，近轴光线和远轴光线的概念。 与光轴平行的光线，它们都成像在光轴上（图中画的是主光轴情况）。缩小的光圈可以拦去远轴光线，而由近轴光线来成像。 2，轴上成像和轴外成像的概念。 轴上无穷远物体成像，光线是平行于光轴的（无论是近轴还是远轴），而轴外成像的光线是与光轴有一定的夹角的。夹角越大，成像就离主光轴越远。在像平面上，表现为轴上成像在中心区而轴外成像在边缘区。改变镜头的光圈并不会改变轴外成像的情况。 像差可以分成两大类，即单色像差及色差。 单色像差五种：影响成像清晰度的球差、彗差、象散、 场曲，以及影响物像相似度的畸变。 球差是由于镜头的透镜球面上各点的聚光能力不同而引起的。由于近轴光线与远轴光线的会聚点并不一致，会聚光线并不是形成一个点，而是一个以光轴为中心对称的弥散圆，这种像差就称为球差。 球差的存在引起了成像的模糊， 注意： 由球差引起的图像模糊与景深中的模糊完全是两回事。球差可以通过复合透镜或者非球面镜等办法在最大限度下消除。 在照相镜头中，光圈指数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。我们在拍摄时，只要光线条件允许，可以考虑使用较小的光圈来减小球差的影响。 总结： 彗差是在轴外成像时产生的一种像差。 （如：从光轴外的某一点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在像平面上并不是成一个点的像，而是形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状象彗星，从中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴，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就称为彗差。） 彗差的大小既与孔径（光圈）有关，也与视场有关。适当采用较小的光圈来减少彗差对成像的影响。 当拍摄垂直于光轴的平面上的物时，经过镜头所成的像并不在一个像平面内，而是在以光轴为对称的一个弯曲表面上，这种成像的缺陷就是场曲。场曲是一种与孔径无关的像差。靠减小光圈并不能改善因场曲带来的模糊。  用存在场曲的镜头拍照时，当调焦至画面中央处影像清晰，画面四周影像就模糊；而当调焦至画面四周影像清晰时，画面中央处的影像又开始模糊，无法在平直的像平面上获得中心与四周都清晰的像。 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。由于广角镜头的场曲比一般镜头大，在拍团体照（经常使用广角镜头）时，采用略带圆弧形的站位排列，就是为了提高边缘视场的像质。 像散也是一种轴外像差。像散仅仅与视场有关。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点位置不同，这种现象称为像散。像散可以对照眼睛的散光来理解。带有散光的眼睛，实际上是在两个方向上的晶状体曲率不一致，造成看到的点弥散成了一条短线。 象散也使得轴外成像的像质大大地下降。像散的大小只与视场角有关，与孔径没有关系。即使光圈开得很小，在子午和弧矢方向仍然无法同时获得非常清晰的像。在广角镜头中，由于视场角比较大，像散现象就比较明显。拍摄的时候应该尽量使被摄体处于画面的中心。 畸变是指物所成的像在形状上的变形。畸变并不会影响像的清晰度，只影响像与物的相似性。由于畸变的存在，物方的一条直线在像方就变成了一条曲线，造成像的失真。 畸变可分为枕型畸变和桶型畸变两种。造成畸变的原因是镜头像场中央区的垂轴放大率与边缘区的垂轴放大率不一致。如下图所示，如果边缘放大率大于中央放大率就产生枕型畸变，反之，则产生桶型畸变。 镜头的畸变像差与透视畸变并不是一回事。 镜头的畸变是镜头成像造成的，在设计镜头时可以采取各种手段（如非球面镜）来减小畸变。 透视畸变是由视点、视角、镜头指向（俯仰）等因素决定的，这是透视的规律。无论是何种镜头，如果视点相同，视角相同，镜头指向相同的话，产生的透视畸变是相同的。 下图是枕型畸变（属镜头畸变）和广角畸变（属透视畸变）。（镜头畸变一般是很小的） §6.7 色差 我们拍摄的景物基本上都是彩色的（翻拍黑白文件稿等少数情况除外），可镜头的成像是白光成像。白光是由各种不同波长的单色光组成的。而介质的的折射率是与波长有关的，因此成像时不同波长的光线会有差异，使得物上的点成像后产生色彩的分离，这种现象就称为色差。 色差分为位置色差和倍率色差两种。前者是由于不同波长的光线会聚点不同而产生彩色弥散现象，后者是由于镜头对不同波长的光的放大率不同而引起的。 宽光束成像 级数展开式同场曲 像散和场曲 像散光束截面形状 入射光瞳 细光束主光线 高斯像面 光学系统 不同位置像平面 三、场曲和像散的消除 h T S P d=0 (a) (b) (c) (d) xp’=x