相机镜头常见问题及影响成像的因素
引言
摄影中有些因镜头，导致影响成像的因素，本文大致对几种现象进行浅显介绍：
抛砖引玉
现象1：焦外二线性
镜头：Pentax smc 50mm F1.4(1977)
摄影者：桂侗
焦外二线性的部分请跳转到单独的另一篇：
现象2：紫边
镜头：Nikkor Z 14-30mm f/4 S 14mm, ISO 64, 1/100, f/7.1
赛德尔像差
赛德尔（Van Seidel ），德国数学家。
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。
像差（aberration）是导致成像质量下降的主要因素，它的产生主要是由于光学系统在实际成像中存在非理想的成像条件和成像特性。
球差（Spherical aberration）
透镜中心附近的光和周边的光，由于行进方式不同，导致不能汇聚于一点，造成焦点的偏移，像这种由于透镜表面为球形而引起的像差称为球面像差，简称球差。
摄影现象
图片来源：Nikon官网
产生原因
球差是球面透镜/反射镜中存在的一种轴上点像差。轴上物点发出的光线通过透镜在像方成像时，同一出射角度的光线与透镜表面的交点高度相同，构成一个以透镜中心为圆心的圆环；不同出射角度（对透镜来说就是孔径角）的光线与透镜表面上的交点高度则不同，它们被透镜聚焦时折射程度也不同（可以 根据折射定律推导 出来，透镜对边缘光线折射得更厉害），从而会在像方光轴上聚焦到不同的轴向位置，从而产生球差。
影响表现
球差会导致图像的清晰度下降。从上方示意图可以发现，球差会导致相同孔径角的光线汇聚到同一点，不同孔径角的光线则汇聚到不同点。如果在像方放置一个移动光屏查看不同位置的像，则光屏从左往右移动时可以看到，成像结果会从模糊的弥散圆逐渐汇聚，然后出现一个中央有亮斑、四周有亮环的图像，但是无法找到一个位置让所有光线全部汇聚起来，只能找到一个光线弥散斑整体面积尽可能小的位置作为像面。
校正方法
正负透镜组合：当边缘光线的交点在近轴像点左边时，球差为负，称为“球差欠校正”。反之，当边缘光线交点在近轴像点右边时，球差为正，称为“球差过校正”。单个正透镜产生负球差，单个负透镜产生正球差，二者组合、相互补偿可以校正球差。
常使用二次曲面来消除球差，即常说的 Conic 非球面
彗差（Comatic aberration）
从偏离光轴发出的光，在像面上不能汇聚到一点，导致像点像拖着尾巴的彗星，这种现象叫做彗星像差，简称彗差。
像向光轴外侧拖尾称为正彗差（内彗差），像向光轴内侧拖尾称为负彗差（外向彗差）。
摄影现象
产生原因
慧差是一种常见的轴外点像差，因为形状像拖尾的彗星，所以叫作慧差。
慧差的出现是由于轴外物点发出的对称于主光线的一束光在像方失去对称性，偏向主光线的同一侧，并且在像面处无法聚焦到主光线和像面的交点上所导致的。
影响表现
慧差的存在会对图形的清晰度产生影响。对于大孔径系统和望远系统影响较大
靠近主光线的细光束形成了亮点，远离主光线的不同的宽光束形成了不同的圆环（距离主光线向点越远，形成的圆斑直径越大，亮度越低），在理想像平面上形成一个如同拖着尾巴的彗星状弥散光斑。
校正方法
选择适当的透镜表面曲率、使用非球面透镜
收缩光圈：慧差强度受光圈影响，收缩光圈可以改善这个问题
像散（Astigmatism）
摄影现象
产生原因
像散是一种常见的轴外点像差。
由于物点不在光学系统的光轴上，所以它与光轴会构成一个面叫子午面，与这个面垂直并且过物点主光线的另一个关键面叫弧矢面。
这两个面的物点光束在被透镜聚焦时会出现不同的聚焦效果（子午面折射得更厉害），导致子午细光束与弧矢细光束的汇聚点不在一个点上，即光束不能聚焦于一点，成像不清晰。
影响表现
像散会导致成像清晰度下降
如果在像面上放一个可移动光屏去观察不同位置的成像结果，可以发现光屏从近到远移动时，由于子午面早于弧矢面先聚焦，所以像会按照上图右侧所示变化，即长椭圆→横线→长椭圆→圆→高椭圆→竖线→高椭圆。
校正方法
调节视场光阑的位置：通常视场光阑远离镜头组时像散会减小
使用对称的光学结构
场曲（Field curvature）
摄影现象
产生原因
场曲即“像场弯曲”，是折射球面中固有的轴外点像差。
当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面却是一个曲面。
如果光学系统是各向异性的，则场曲可进一步分为子午面（meridonal）场曲和弧矢面（sagittal）场曲。
“This aberration is caused by the sum of the focal lengths of the lens elements in the system (multiplied by the refractive indices) not equaling zero. If the sum is positive (typical for an imaging lens), the image plane will have a concave curvature. ” —— Edmund Optics
影响表现
由于传感器的表面一般是平面，那么存在场曲时，就会导致拍到的图像不同位置无法同时清晰聚焦（中心区域清晰聚焦时，周围区域会失焦模糊）。场曲也会导致图像出现一些畸变。
校正方法
平场透镜：可以通过正负透镜分离、加入弯月厚透镜、对称式透镜组等方式得到场曲较小的透镜组
曲面探测器：将探测器（阵列）设计成和场曲匹配的曲面形式
消除广角和大光圈镜头的场曲是比较困难的
畸变（Distortion）
透镜对使物体成像的形状发生了变化，称为畸变。畸变原因是透镜离中心不同区域的放大率随离中心距离不同而变化。
畸变主要氛围桶形畸变和枕形畸变。
摄影现象
产生原因
畸变是一种常见的轴外点像差。
它的出现是由于光线系统的垂轴放大率在整个视场范围内不能保持常数，导致不同视场的主光线通过光学系统后，与高斯像面的交点高度不等于理想像高。
如果实际像高小于理想像高（放大率随入射角度增加而减小），会导致图像呈现“膨胀”的扭曲效果，也叫负畸变、桶形畸变；
如果实际像高大于理想像高（放大率随入射角度增加而增大），会导致图像呈现“收缩”的扭曲效果，也叫正畸变、枕形畸变。
影响表现
畸变是唯一不会改变图像清晰度的几何像差，它导致的结果是图像出现扭曲变形，影响物体的形状检测和识别
校正方法
使用对称的光学结构：如双高斯或库克三片对称结构
目视系统中 4% 以内的畸变很难被察觉，一般可以作为校正的标准。
色差（Chromatic Aberration）
摄影现象
产生原因
因光的波长引起的像的位置偏移造成像的渗色现象，叫位置色差。
因光的波长引起的像的放大率不同而形成的，叫倍率色差
影响表现
会导致图像的清晰度下降，颜色失真，出现颜色渐变的模糊轮廓
校正方法
使用多镜片组合
