镜头的性能、缺陷、与评价

镜头的性能、缺陷、与评价镜头的像差 一个理想的镜头，应能在全部有效视场内将物平面上的每一个物点，都在像平面上相应的位置处形成一个清晰的像点，但实际的镜头并不能在像面上各处都形成理想的像。镜头所形成的实际影像与理想的影像之间的差异称为像差。常见的像差可分为单色像差和色差两大类。 单色像差 单色像差是指单一顔色的光通过镜头后形成的像差，主要有以下几种： 球差 在光学中，球差是发生在经过透镜折射的光线，接近中心与靠近边缘的光线不能将影像聚集在一个点上的现象。这是因为透镜是球面的形状，不能聚集在一个点上造成的。 球差并不是因光学系统制作不良引起的缺陷，而是球面折射固有的性质。镜面的直径越大，焦长越短，这种现象就越严重。 非球面镜可以消除球差，但是因为球面镜比非球面镜容易制造，所以绝大部分光学透镜都是球面镜。近年来随着非球面镜制作工艺的普及，业余低档镜头中也大量使用非球面镜了。 选择适当的凹透镜配合凸透镜组成复合透镜组，由于凹、凸透镜各自对光线的作用正好相反，它们产生的球差也往往是相互抵消的，所以能比较好地消除球差。这也是一种常用的消除一般球差的方法。 照相机中用多片凸透镜和凹透镜来减少球差。 照相机中可以用光圈来减少球差。当球差较大时，镜头的成像位置会随着光圈的大小而变化。 一束与光轴夹角较大的斜射成像光线称为远轴光线。当远轴光线经过镜头时无法汇聚于一点，经常是形成一个彗星状的光斑，此种像差称为彗差。 彗差 彗差是远轴光线特有的像差，多产生于短焦镜头的画面边缘。缩小光圈可以较好地减少彗差。 但是彗差是一种非常顽固的像差，即使设法消除了初级彗差后，常会产生出较小但形状更复杂的二级彗差。初级彗差二级彗差 一束很细的远轴光线经过镜头后会在不同的空间位置上聚焦成两条微小的焦线，一条沿着从画面中心指向边缘的半径方向，称为径向焦线或弧矢焦线，另一条沿着以画面中心为圆心的圆周方向，称为切向焦线或子午焦线。真正的聚焦的像点在两条焦线的中间，呈现为一个比较模糊的光斑。这个像差称为像散。 像散 焦前 焦面 焦后 物 镜头子午焦面 弧矢焦面 的影像 的影像 像散也是远轴光线特有的像差，而且是最顽固的像差。不仅难以消除，而且与光圈基本无关。因此评价一支镜头时，像散经常成为重点关注的单色像差。 对垂直于光轴的物平面成像时，像面成为一个弯曲的曲面，称为像面（像场）弯曲。此时画面的中部与周边部分不可能同时调准焦点。像面（像场）弯曲 像面弯曲经常与像散是共存的。像面伴随着中心与边缘不同的清晰度，还常见到像场在同一个位置上的切向与径向方向上分的辨率有明显的差异。中心清晰，径向清晰 边缘清晰，切向清晰 畸变 直线的影像变为曲线称为畸变。畸变又分为枕形畸变（正畸变）和桶形畸变（负畸变）。在视场的中心畸变为零，距画面的中心越远畸变越大。畸变不影响镜头的清晰度，畸变与光圈的大小无关。 畸变经常是由于镜头的光学结构与光圈位置不对称引起的，光圈在镜头中的位置也会影响畸变的特性与大小，非球面透镜不仅能消除球差，也能改善畸变。 光圈放在透镜之后 出现的枕形畸变。 光圈放在透镜之前 出现的桶形畸变。 奥林巴斯3倍光学变焦卡片相机在广角端的桶形畸变 色差 由于介质的折射率随入射光的颜色（光的波长）不同而不同。因此透镜的焦距随光的颜色而异，不同颜色的光所成像的位置和大小都各不相同，这种由于色散引起的现象称为色差，即使在近轴区域内也会发生。 色差又可细分为位置色差和倍率色差两类。色差通常采用不同种类的光学材料构成的透镜组来消除。 位置色差 一束平行光线（或入射角较小的近轴光线）经过镜头之后汇聚于前后不同位置的像点上，其中短波（蓝紫）光线焦距较短，长波（红光）焦距较长，这种像差称为位置色差或轴向色差。位置色差与焦距成正比，长焦与超长焦镜头中尤为严重。 倍率色差 轴外光点（远轴光线）发出的混合光线通过镜头之后汇聚于不同的高度上，使影像的边缘分解出朦胧的彩虹。这种色差使物体同一点发出的不同色光所形成的影像具有不同的摄影倍率(影像大小不同)，称为倍率色差（横向色差，垂直色差）。 前述彗差和像散光斑中所见的不同色彩轮廓，就是倍率色差的典型表现。 用大光圈远距离拍摄的安装了球形灯罩的路灯 色差严重 色差很小 杂光 投射到胶片上的非成像光线称为杂光 光线在镜片表面、镜框、镜筒、机身内壁上反射会形成杂光，镜头发霉、沾尘、指痕、擦花、划伤等也会产生杂光。 光线通过玻璃与空气的界面时会被反射约5%，若有10块镜片，总透光率就只有0.95 20=0.36，即2/3的光线都形成了杂光。早期的单层镀膜可使每个表面的透光率提高到97%，现在3层膜可达99%，6层膜可达99.8%，10组镜头总透光率也可达96%。 镀膜 现代镜头上的镀膜大而化之可以分成两种，一种叫增透膜，是增加光线透过率的，而另一种镀膜则是改变镜头的色彩光谱透过特性的。镀膜技术最早是用在军事望远镜上减少反光，不易被敌人发现。1941 Kodak公司生产首次采用镀膜镜头的照相机Ektra， Pentax在1971年推出了SMC超级多层镀膜的“太苦马”镜头。多层镀膜使得现代的超广角镜头和大变焦镜头成为可能，这些镜头中需要更多的光学组件，为了保证光学质量就必须进行多层镀膜。 这是一个一半镀膜一半未镀膜的透镜 中等杂光与极少杂光的对比 测试杂光 强烈杂光形成的晕光与鬼影 渐晕 像面上边缘照度比中心照度低（中间亮四周暗），这要是由于广角与超广角镜头的视场角大，斜射的周边光线会被镜头的镜框阻拦，减小了远轴光线的通光孔径面积。其次是像场边缘的光线都是斜射光线，会使照度进一步下降。收缩光圈能明显地改善照度均匀性。 像差的小结 设计师可以用多种手段来削弱任何一种像差，但同时又可能诱发了其它的像差。永远没有“最好”的镜头！厂家只能根据镜头的用途与客户需求来平衡各种像差，力求更好。我们则应全面考虑镜头的性能、质量、价格与用途后再进行取舍。 各种像差的分类、分布、特征与消除方法极有效、有效、一般、无效 收缩光圈能明显改善球差、彗差、轴向色差，减弱像散与像面弯曲。因此，若条件允许，使用f/8f/11的中小光圈可以获得较好的像质，尤其是对长焦镜头或低档镜头。 视场角较小的近轴光线仅受球差与位置色差的影响，收缩光圈又都能明显改善，因此光圈的大小对画面中部的像质影响更为显著。焦距越长，球差与位置色差越严重，因此广角镜头的像场中心成像一般都优于长焦镜头，长焦镜头收缩光圈后会明显改善像质。 影响视场边缘的远轴光线受5种像差的影响，其中像散基本不受光圈的控制，畸变与倍率色差更与光圈无关，因此广角镜头画面边缘的像质会显著劣化，而长焦镜头却比较容易在全画幅中得到基本一致的影像。收缩光圈对广角镜头周边像质的改善不如长焦镜头有效。 衍射极限光圈DLA（Diffraction Limited Aperture） 随着数码相机中感光元件像素量的增加，两个相邻像素的间距也越来越小，感光材料的分辨率开始影响摄影的综合分辨率了。大孔径时的镜头像差与小孔径下的衍射将成为影响像质的主要矛盾，导致镜头实际分辨率不能随像素量的增加同步增长。 例如佳能1Ds Mark 用f/19的光圈时，由于衍射光斑（艾里斑 ）的半径已经与像素的间距几乎相同，导致一个光斑可能在两个像元上成像，处于极限状态。一旦光圈再缩小，衍射光斑将大于像素间隔，分辨率将恶化。采用1/2.5英寸800万像素的松下FZ18用f/4.5的光圈就出现分辨率恶化。 式中A为衍射极限光圈的F值，d为像素直径，为光的波长。 像素密度越高衍射临界光圈越大，成像面积越大，衍射极限光圈越小。像素密度越大，越不适合用小光圈，分辨率在临界光圈之后下滑明显。1.22dA F22时的拍摄效果反而不如F8 小型DC相机由于镜头质量的问题不能采用太大的光圈。又因为传感器面积小，像素密度高， 受衍射极限光圈的限制又不能采用太小的光圈。实际上这类相机的光圈变化范围很小，使用中不能用改变光圈来改变景深。 镜头的评价 镜头的成像质量是前述各种像差综合作用的结果，通常用以下6个指标来判断镜头的光学素质。 1.分辨率、2.锐度与调制传递函数、3.畸变、4.照度均匀性、5.杂光、6.色贡献指数 前三项指标主要考核镜头几何光学的像差，后三项指标还考核了镜头的结构设计、加工艺、光学材料的选择匹配对镜头成像的影响。 1. 分辨率 一条黑线与一条相邻的等宽白线称为一个线对，分辨率以镜头像面上每毫米能读出多少线对表示，单位为“线对/毫米（lp/mm）”。 a 我国国家标准测试摄影分辨率所用的标板（局部），b 我国WT1005-62标板，c 美国NBS标板，d 日本JIS标板，e 日本Koana标板，f 辐射型标板。 分辨率的测试方法 1. 用显微镜观察镜头形成的空间影像（目视分辨率），分辨率读数最高。 2. 用被测镜作投影镜头，将标板投影到屏幕上，分辨率读数其次。 3. 用镜头直接拍摄标板（摄影分辨率），在胶片上读出分辩率，分辨率读数最低。 摄影分辨率受到胶片质量、曝光条件、显影条件的影响，最不客观，但在面向用户的测试中，却是最常采用的。 镜头的目视分辨率N镜头、胶片分辨率N胶片、摄影分辨率N摄影之间的关系为：N的单位为（线对/毫米）1.8 1.8 1.81 1 1=N N N 摄 影胶 片镜 头 美国现代摄影的指标明显高于我国国标，这是因为：1. 国家标准只是一个门限标准，判定镜头是否合格； 现代摄影的标准是一个评比标准，为分出镜头优劣。2. 国家标准要求使用乐凯黑白胶片，D-76显影液，美国现代摄影杂志多用柯达T-Max胶片及专用的微粒显影液。 标准镜头的分辨率最高，长焦镜头的分辨率较低，但是中心、边缘相差较少。 2. 锐度与调制传递函数 锐度对还原影调层次的作用 分辨率与锐度对不同景物影像质量的影响 锐度的测定1.低反差分辨率标板拍摄法，简便易行，但受胶片本身的锐度的影响。 影响影像锐度的因素2.传递函数法 客观，需用仪器测定 正弦光栅标板的调制度M与影像的调制度MMMTF M传递函数为： 0MTF1 三种常用的MTF曲线图 一支变焦镜头的MTF曲线图，长焦端中心与边缘像质比较一致，短焦端中心的MTF值明显高于周边区域。 横坐标为像面中心到测试点的距离，纵坐标为MTF值。从上到下三组曲线分别对应于空间频率为10、20、40（线对、毫米）。实线与虚线分别为径向和切向的MTF曲线，实线与虚线的分离表示镜头的像散较大。 横坐标为像面中心到测试点的距离，纵坐标为MTF值。 传递函数曲线的评价 1.曲线越高越好 2.曲线越平直越好 3.径向与切向两条曲线越接近越好。曲线越接近表明影像中像散（最顽固的一种像差）越小。 我国照相机镜头的MTF值的国家标准如下（这只是一个及格标准）： 分辨率与锐度的业余检查： 在良好的照明条件下用三脚架拍摄横幅头像与横幅半身像，用眉毛（高反差的线条）考查镜头的分辨率，用头发（低反差的线条）考查镜头的锐度。拍摄冲洗后用1020倍放大镜检查头发与眉毛的清晰程度。 自制线条标板测试镜头的分辨率值、像散与锐度： 用绘图软件绘制黑白相间的等宽线条，线条的长宽比例5:1.宽度从1毫米（0.5线对/毫米）递减。从0.52.5毫米/线对制作15组，用高分辨率(1200dpi)打印13份，帖在下页的测试标板上。 = 1线 宽 度 2 线 对 数 胶片冲洗后用2030倍放大镜观察，勉强可辨线条旁边的数字除以摄影倍率就是胶片相应位置的分辨率。 其他像差的业余检查： 用大光圈远距离拍摄安装了球形灯罩的路灯，距离应足够远，使路灯接近一个光点。路灯应横贯底片的对角线。用20倍放大镜观察路灯影像，中心部位模糊是球差或调焦误差，中心部位有彩虹的轮廓是位置色差。边缘部位光斑呈现不规则的形状是彗差。在一张照片1/4画幅的边缘显示出初级彗差；在另一张照片1/8画幅的边缘显示出二级彗差。若光斑带有彩色的轮廓，则是倍率色差。 用大光圈远距离拍摄的安装了球形灯罩的路灯 3. 杂光 投射到胶片上的非成像光线称为杂光，测试中用杂光系数来评价，它表示杂光在底片所接受的总光能量中所点的百分比。 国标GB9917-88将定焦镜头在f/8光圈下的杂光系数定为1级3%，2级5%。 这是一个一半镀膜一半未镀膜的透镜 杂光的业余检查： 用反射光观察各层镜片表面的镀膜，应光洁均匀。镀膜的颜色各向相同为单层镀膜；颜色随反射光的方向变化为多层镀膜。 开大光圈装上后盖从镜头前端向内看，应深黑无反光。 开大光圈打开前后盖，从镜头后端对天空或灯光观察，镜筒内壁与镜片的边缘应无光源的反射光。 用大光圈对强光拍摄，观察光晕与鬼影的分布下强弱，还可以用遮光罩遮挡入射光后对比遮挡前后的差异。 透过树叶的缝隙拍摄天空，并使天空过度曝光。观察底片树叶边缘的影像，晕光越强表示杂光越多。 夜晚在较近距离拍摄球形灯罩的路灯，并使路灯过度曝光。观察路灯影像晕光的情况，光斑越大、边缘越模糊、鬼影越明显，杂光越强。 中等杂光与极少杂光的对比 测试杂光 强烈杂光形成的晕光与鬼影 4. 照度均匀性用百分数表示。 像面上边缘照度比中心照度低，这要是由于广角与超广角镜头的视场角大，斜射的周边光线会被镜头的镜框阻拦，减小了远轴光线的通光孔径面积。其次是像场边缘的光线都是斜射光线，会使照度进一步下降。收缩光圈能明显地改善照度均匀性。 图中横坐标“像高”为测试点到画幅中心的距离。 国标9917-88对135相机定焦镜头照度均匀性K的要求为：f38mm, K20%; f38mm, K30%。 照度均匀性的业余检查： 在阴天室外或晴天室外的阴影中拍摄照明均匀的白墙或灰墙，检查底片中心与边缘密度的差异。此项试验应重点测试广角镜头短焦段较大的几档光圈，以便得知哪个焦距段收缩到哪档光圈后暗角现象可以忽略不计。 00 100%Y Yq Y Y：像场地中实际特征点到像场中心的实际距离。Y0：像场中理想特征点到像场中心的理论距离。Y：画幅对角线长度的一半。 5. 畸变 用相对畸变q表示，枕形畸变q为正值，桶形畸变q为负值。 相对畸变的大小与测试点到画幅中心距离（像高）有关。 定焦镜头的国家标准GB9917-88要求在对角线方向0.5Y和0.866Y两位置上q3%。 畸变的业余检查： 拍摄砖墙、大楼的正面或窗框，并量使目标横平竖直的轮廓接近画面的边缘。拍摄后观察直线弯曲的情况。此项试验不能用取景器调焦屏上的影像进行测评，因为取景器上镜光学系统会为所见的影像带来额外的畸变。 也可用30倍的倍率按下页画出画幅的轮廓及对角线，按对角线长度的5%、50%及90%作半径画圆，线宽23mm，用f/58光圈拍摄，使标板占满整幅画面，冲洗后测定畸变。 6. 色贡献指数 色贡献表明镜头对景物色彩的正确还原的能力，它是由正确选择光学玻璃与镀膜来保证的。色贡献追求的目标并非是通过镜头所见的影像色彩不失真，而是要求通过镜头记录到胶片上的影像色彩更准确。 由于彩色负片在扩印放大时，可以对色彩进行大幅度的校正与调节，数码影像也可通过软件进行调节，因此色贡献仅对彩色反转片的拍摄才有实际意义。不同的彩色反转片自身色彩平衡的能力也有差异，而且这个差异通常大于镜头的色彩还原的误差。 彩色还原能力的业余检查： 在室外自然光下将镜头对向一张白纸，全开光圈透过镜头比较镜头内外白纸的颜色，可以认为镜头内白纸偏差的颜色就是镜头彩色还原的误差。若未见差异，则还原很好。 色贡献的标准要求用镜头在胶片上准确记录颜色，用眼睛代替胶片虽不符合规定，但简单易行，精度也足以满足实际需求。 140色卡24色卡