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1、光学基础知识：球面像差与非球面镜片球面像差（spherical aberration）是由于透镜表面是球面而引 起的。由光轴上同一物点发出的光线，通过镜头后，在像场空间 上不同的点会聚，从而发生了结像位置的移动。差。它的产生是由于离轴距离不同的光线在镜片表面形成的入射 角不同而造成的。当平行的光线由镜面的边缘（远轴光线）通过时，它的焦点位 置比较靠近镜片；而由镜片的中央通过的光线 （近轴光线），它的 焦点位置则比较远离镜片（这种沿着光轴的焦点错间开的量，称 为纵向球面像差）。由于这种像差的缘故，就会在通过镜头中心部分的近轴光线 所结成的影像周围，形成由通过镜头边缘部分的光线所产生的光 斑（Ha
2、lo,光晕），使人感到所形成的影象变成模糊不清，画面整 体好象蒙上一层纱似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙蒙的影像。这个 光斑的半径称为横向球面像差。球面像差在镜头光圈全开或者接近全开的时候表现最为明显，口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。在镜头使用上，通过缩小光圈可适当消除球面像差。但是需要注意的是：如果像差过大，通过缩小光圈消除像差是，可能会引起聚焦平面（就是焦点）的移动。对于球面镜片的球面像差进行矫正，是件非常困难的事情。通常是以某一个入射距（从光轴起算的距离）的光线为基准，然后 使用凸、凹两枚镜片加以适当的组合来完成。但是，只要使用球 面镜片，某种程度的球面像差就无法获得很大的改善。要想彻底消除大
3、口径镜头全开状态的球面像差，除了采用非球面镜片（Aspherical Lens）之外，别无他法。非球面镜片的作用就是通过修改镜片表面的曲率，让近轴光 线与远轴光线所形成的焦点位置重合。目前主要有三种制造非球面镜片的方法：1、研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这种制造工艺成本相对较高;2、模压非球面镜片：采用金属铸模技术将融化的光学玻璃 /光学树脂直接压制而成，这种制造工艺成本相对较低；3、复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表面上覆盖一 层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部分研磨成非球面。这种制 造工艺的成本界于上述两种工艺之间。由于光线进入广角镜头的入射角比较大，所以球面像差的表 现在广
4、角镜头尤为明显。所以在广角镜头上采用非球面镜片来消 除像差的有效方法。下面是一些广角镜头的镜头结构：Canon EF 24/1.4L USMMinolta AF 35/1.4GNikon AF 18/2.8DCanon EF 14/2.8L USMSigma 14/2.8EX AspTamron SP AF 14/2.8通常的非球面镜片是一面为非球面，另外一面是球面。近年 来出现了双面非球面镜片，采用这样的镜片，可以使镜头的镜片 数减少许多，也可以得到更大倍率的变焦镜头。色像差与色散白光是指由各种波长的光线平均混合在一起光线，感觉不出 色彩，人眼可以感受到的可见光的波长为400nm（紫色）70
5、0nm（红色）。光学玻璃的折射率随通过的光波的波长变化而变，它对短波 长的光的折射率比长波长的折射率更大，当白光通过三棱境时， 我们可以观察到彩虹光谱。由对波长的折射率不同而引起的彩虹 光谱称之为色散现象（Dispersion） o在摄影镜头中。这种起因于不同波长的像差，我们称它为色像差(Chromatic aberration)普通光学镜片焦平面色像差分成两种：1、轴向色像差(Axial chromatic aberration):指的是光轴上 的位置，因波长不同产生不同颜色有不同焦点的现象。如上图， 红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。2、倍率色像差(Chromatic differ
6、ence of magnification) :系 指像的周围因光线波长的差异，所引起的映像倍率之改变。这是 一种轴外像差，随视场角的增大而增大。轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色彩产生松散或光 斑(flare);而倍率色像差别则涉及到成像的大小，在画面周围引 起色彩错开，形成扩散的彩色条纹，如镶边(fringing)现象。色像差不仅影响彩色胶片上成像的色彩再现，也会减低黑白 胶片上成像的解像力。轴向色像差的矫正，一般是采用不同折射率/色散率的镜片来 进行组合，使它们的色像差相互抵消。典型的视采用一个正的冕 牌透镜与一个负的火石透镜组合。 会聚的冕牌透镜具有低折射率 和小的色散，而发散的火
7、石透镜具有高折射率和更大的色散。倍率色像差的矫正比较困难，它对像质的劣化作用随焦距增 大而加剧，并且不会随光圈缩小而减少。倍率色像差的有效矫正 办法是采用异常/超低色散的光学玻璃。镜头的焦点距离愈长，色像差的影响愈大，特别是超长焦镜 头，色像差矫正是获得鲜锐画质的最重要关键所在。仅仅仰赖光 学玻璃的组合，依然有它的极限，异常/超低色散，才能具有明 显的改善。光学基础知识：白光、颜色混合、RGB色彩空间1665年，牛顿(Isaac Newton)进行了太阳光实验，让太阳光 通过窗板的小圆孔照射在玻璃三角棱镜上，光束在棱镜中折射 后，扩散为一个连续的彩虹颜色带，牛顿称之为光谱，表示连续 的可见光谱
8、。而可见光谱只是所有电磁波谱中的一小部分。&州"第啾幡I责点室?0Qnnt6Q0run时帆4M 廿幅可见比解牛顿认为白光（太阳光）使复杂的，由无数种不同的光线混合, 各种光线在玻璃中受到不同程度的折射。 棱镜没有改变白光而只 是将它分解为简单的组成部分，把这些组成部分混合，能够重新恢复原来的白色。利用第二块棱镜可以将扩散的光再次合成为白 光。在重新合成之前，通过屏蔽部分光谱，可以产生各种颜色。 Young在1802年的实验表明：如果在红、绿、蓝区域选择部分 光谱，这三者适当的混合可以再现白光。后来，Helmholtz成功地定量分析了这种现象。混合物中红、 绿、蓝比例的变化可以
9、产生多种颜色，几乎可以产生任何颜色， 红色、绿色、蓝色三者等量的混合可以再现白色。所以：红、绿、蓝这三种颜色就称为 三原色"(RGB)I JI ：红色 蓝色(Red) (Green) (Blue)红、绿、蓝光的混合结果暗示了人眼也拥有三种颜色的灵敏读，分别对应于红、绿、蓝。这种三灵敏度理论称之为 Young-Helmholtz颜色视觉理论。它可以对三原色合成颜色作出 非常简单的解释。三原色理论被广泛应用于各种涉及视觉的场合。补色的概念：从白色中减去颜色 A所形成的颜色，称之为颜色 A 的补色 (complementary color)。补色的形成：(白色减掉三原色，就是黑色)补色的特
10、点：当使用某个补色滤镜时，该补色对应的原色会被过滤掉：原色以及所对应补色的名称：红笆份ed)itfe(Green) 蓝色旧lu日)SfefCyan)洋SI 色加日亚口M&(Yellow)颜色再现有两种方式：1、原色加法：三原色全部参与叠加形成白色，任意其中两种 原色相加形成不参与合成的颜色的补色。这是合成的示意图:加色法任意其中两种2、原色减法：三补色全部参与叠加形成黑色, 补色相加形成不参与合成的颜色的原色。这是合成的示意图:原色加法比较简单，由原色叠加而形成其他颜色，但是应用较少；而原色减法是从白色中减掉相应原色而形成其他颜色，就是用补色来叠加形成其他颜色，应用的场合比较多色彩空间
11、减色法随着数字摄影的兴起，计算机处理图象已经成为主流，但是现在多数的计算机设备无法完全再现人眼可辨认的色彩。一般的数字影像都是采用了 sRGB色彩空间，处理范围比较宽的是Adobe RGB。下面是国际照明委员会（CIE）颁布的CIE1993-RGB 系统的色度图：光学基础知识：光的反射、折射、衍射光的传播可以归结为三个实验定律：直线传播定律、反射定 律和折射定律。【光的直线传播定律】：光在均匀介质中沿直线传播。在非均匀介质种光线将因折射而弯曲，这种现象经常发生在 大气中，比如海市蜃楼现象，就是由于光线在密度不均匀的大气 中折射而引起的。【费马定律】：当一束光线在真空或空气中传播时，由介质1投射
12、到与介质2的分界面上时，在一般情况下将分解成两束光 线：反射(reflection)光线和折射(refraction)光线。光线的反射光线的反射取决于物体的表面性质。如果物体表面(反射面)是均匀的，类似镜面一样(称为理想的 反射面)，那么就是全反射，将遵循下列的反射定律，也称 镜面 反射”。入射光线、反射光线和折射光线与界面法线在同一平面里， 所形成的夹角分别称为入射角、反射角和折射角。【反射定律】：反射角等于入射角。i = i'对于理想的反射面而言，镜面表面亮度取决于视点，观察角 度不同，表面兑度也不同。当反射面不均匀时，将发生漫反射。其特点是入射光线与反 射光线不满足反射定律。一个
13、理想的漫射面将入射光线在各个方向做均匀反射，其亮 度与视点无关，是个常量。光线的折射一些透明/半透明物体允许光线全部/部分地穿透它们，这种 光线称为透射光线。当光线从一种介质（比如空气）以某个角度（垂直情形除外）入 射到另外一种具有不同光学性质的介质（比如玻璃镜片）中时，其 界面方向会改变，就是会产生光线的折射现象。光的折射是由于光在不同介质的传播速度不同而引起的。光线折射满足下列折射定律：入射角的正弦与折射角的正弦 之比与两个角度无关，仅取决于两种不同介质的性质和光的波 长，【折射定律】:n1 sin i = n2 sin r任何介质相对于真空的折射率，称为该介质的绝对折射率，简称折射率(I
14、ndex of refraction)。对于一般光学玻璃，可以近似地认为以空气的折射率来代替绝对折射率。公式中n1和n2分别表下两种介质的折射率。当n1 = -n2时，折射定律就是变成反射定律了，所以反射定 律可以看成是折射定律的特例。折射率：光在两种介质种的传播速度之比，即n2/n1 = v1/v2一种介质的绝对折射率为n = c/v式中c是真空中光的速度，v为该介质中光的速度。可以看出：在折射率较大的介质中，光的速度比较低；在折 射率较小的介质中，光的速度比较高。作为实验规律，上述几何光学三定律只是在波长入很小的条件下才近似成立的。在摄影中，用几何光学来描述已经足够精确 了。附录：一些光学
15、介质的折射率:玻 璃气空 冕牌 玻璃火石 玻璃重火石 玻璃折 射率11.46-1.531.53-1.651.651.92光线的衍射在光的传播过程中，当光线遇到障碍物时，它将偏离直线传 播，这就是所谓光的衍射。由于光的波长很短，在日常生活中很 难察觉出衍射现象。衍射不仅使物体的几何阴影失去清晰的轮廓，在边缘还会出 现一系列明暗相间的亮纹。直射光线忻用光线;I ; I I光的强度分布光学基础知识：焦点、弥散圆、景深：概念与计算先介绍几个概念：1、焦点(focus)与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状的扩散开来，这个聚集所有光线的 一点，就叫做焦点。2、弥散
16、圆（circle of confusion）在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的， 形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。在现实当中，观赏拍摄的影象是以某种方式（比如投影、放大 成照片等等）来观察的，人的肉眼所感受到的影象与放大倍率、 投影距离及观看距离有很大的关系，如果弥散圆的直径小于人眼 的鉴别能力，在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆（permissible circle of confusion）。数值定义。一般常用的是:24mm x36mm6cm x9cm4" x5"0.035mm0.0817mm0.146
17、mm35mm照相镜头的容许弥散圆，大约是底片对角线长度的1/10001/1500 左右。前提是画面放大为 5x7英寸的照片，观察距离为2530cm。3、景深(depth of field)在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。screen.width-350)this.width=screen.width-350"border=0>景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离而变化。对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小
18、，景深越大。以持照相机拍摄者为基准，从焦点到近处容许弥散圆的的距离叫前景深，从焦点到远方容许弥散圆的距离叫后景深。4、景深的计算F面是景深的计算公式。其中:f镜头焦距对于135 S网容许弥散圆直F镜头的拍摄光 值L对焦距离前景深后景深L1全开光圉景深范围焦菊位置坡第光图景深地压焦点位蔓示意图2后景深 前虽深方龈抵直径.18而言.一般 =OxOlmmL2 A景深LF6 L2前景深A L1= (1)f2 +F 6 LF6 L2后景深A L2= (2)f2 - F 6 L2f2F 6L2景深 A L2 +A L = A L2 =f4 -F2 6 2L2从公式(1)和(2)可以看出，后景深 >
19、前景深。由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用光圈、镜头焦距、 拍摄距离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。 这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)：(1)、镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；(2)、镜头焦距镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；(3)、拍摄距离距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。5、一些计算实例网上有些在线计算器，有兴趣的网友可以参考：摄影光学计算器Windows版本的可下载的计数器在f/Calc(1)、200/2.8对焦在5m时，f/2.8的景深：=0.035mmfFLAL1AL2AL结=200mm=2.8=5000m
20、m= 60mm= 62mm=122mm该镜头在用f/2.8拍摄时，清晰范围是从4.94m5.062m ,景深论 彳艮浅。(2)、200/2.8+2X=400/5.6 对焦在 5m 时，f/5.6 的景深：=0.035mmfFLAL1AL2A=400mm=5.6=5000mm= 30mm=31mm=61mm结 该镜头在配合2X增距镜后，主镜头用f/2.8拍摄时，景深是(1) 而一半。景深的实际拍摄照片Mamiya 64 5 pro TL + A 150/2,8 份疗2+& 1/125% AqFa RSM HMamiya 645 Pro TL + A 150/2 8 f/5.6, l/30s, Agfa RSX IIMamiya 645 Pro TL + A 150/2.6 f/llz l/8st Agfa RSX II