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===像差=== 像差(Aberration) 广义的来说,任何与理想成像的偏离都叫做像差。简单的来说,像差的来源可以分成两种:一种是光学元件的几何形状;一种是入射光线在不同光学材料当中的光谱特性。 前者造成的像差我们称为几何像差(或单色像差),基本的几何像差有五种,分别是球差、彗差、像散、场曲和畸变;后者造成的像差称为色(像)差,初级色差有两种,分别是轴向色差和倍率色差。 <br> ====几何像差==== 5 大几何像差(单色像差):球差、彗差、像散、场曲、畸变。 '''球差(Spherical Aberration):''' 球差就是球形像差,是由于透镜的球形表面造成的像差。在非球面镜片加工技术出现之前,基本所有光学系统中使用的都是球形表面的镜片,而由于成本的限制,现如今球形镜片也仍是绝对主流。在透射式光学系统中,光学设计的基本依据是折射定律,而为了计算的便利,在光学设计中往往采用傍轴近似(sinθ=tanθ=θ,只在非常靠近光轴的区域成立)。换句话说,我们熟知的物像关系(高斯公式)只在光轴附近很小区域内成立,而实际的光学元件往往不符合傍轴条件(口径越小,理论极限分辨率越低)。正因为如此,一个点经过透镜聚焦后不会再是一个点,或者说与光轴不同距离的入射光线将会聚焦于透镜后光轴上不同位置。 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(Halo,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。 [[文件:Spherical-Aberration-01.jpg]] 校正球差,可以将通光口径限制在近轴区域(小光圈),或者直接使用非球镜片。当然,在复杂的光学系统中,可以使用组合透镜的方式,用一片镜片的球差去抵消另一片镜片的球差(球差分正负,有兴趣可以查阅相关文献书籍)。关于像差校正有一点需要记住,光学设计者往往是根据使用场景和需求去校正某一些视场角或者光圈带的像差,对于其余区域容许一定量的像差残留。 <br> '''彗差(Coma):''' 彗差指的是:轴外物点斜入射光线通过孔径不同位置时成像高度(放大倍数)的差异,导致本应是一个点的像点成为彗尾一样的不对称弥散斑,故名彗差 [[文件:MTF-Coma.jpg]] 究其根本彗差还是因为透镜不同位置折射能力差异所导致,所以它是光学孔径和视场的函数,换句话说它与透镜的形状以及光阑的位置、大小有关系。在小视场的情况下,满足阿贝正弦条件时是不存在彗差的;当系统结构以及物像关系对称时,彗差也将自动消除,所以可以使用对称结构来校正彗差。此外,还可以通过移动光阑位置以及使用非球面镜片来校正彗差。 [[文件:Coma-02.jpg | 650px]] <br> '''像散(Astigmatism):''' 一束光线可分为水平方向震动和垂直线方向震动两部分。当光线从偏离中轴的斜角度射入,有机会出现水平面光线和垂直面光线聚焦在主轴不同位置的误差。此时两个焦点之间所产生的影像会变得模糊,边缘像渗开一样: [[文件:Astigmatic-02.jpg | 600px]] [[文件:Astigmatic-01.jpg]] 总的来说,像散差在镜头通过广角拍摄时发生,但视场方向的性能会比视场正交方向的性能更低。如果查看一连串一半水平、一半垂直的条形,那么某个方向的条形将聚焦,但另一个方向的条形会失焦(如图2和3所示)。这一情况是由以下原因导致的:远离物体中心的光线不会像轴光线一样通过旋转对称的表面(图4)。 像散是视场角、透镜形状、孔径位置的函数,与孔径大小无关,一般通过选择适当的透镜形状(比如保持对称设计形成类似于双高斯镜头的外形)和透镜间距组合来消除像散,针对视场光线采用对称光圈设计以及低入射角度设计。。。 <br> '''场曲(Field Curvature):''' 场曲指的是一个平面物体成像后像面不再是一个平面,而是一个曲面。 [[文件:Field-Curvature-01.jpg]] 在一个平坦的影像平面上,影像的清晰度从中间向外发生变化,聚焦形成弧形,就叫场曲。这种像差是由系统中的镜头元件的焦距总和乘以折射率(不等于零)得出的。如果总和是正数(这是成像镜头典型特征),图像平面将有一个凹曲率;这就是为何影院荧幕往往略微弯曲的原因所在。 [[文件:Field-Curvature-02.jpg]] 由于机器视觉镜头很少会选择弯曲图像平面,因此设计人员必须插入凹面更正元件以降低焦距的总和。这使镜头更长,而且通常迫使凹面透镜需要靠近图像平面,从而减少镜头的后焦距,大家看到的一些长的远心镜头就是为了克服场曲 与像散一样,初级场曲与孔径大小无关,所以缩小光圈无法去除,而需要改变透镜形状、间距、孔径位置或增加场曲校正透镜来校正场曲 <br> '''畸变(Distortion):''' 另一种轴外像差就是畸变,它指的是轴外光束成像在理想高斯像面上与理想像的高度有偏差,分为欠校正的桶形畸变和过校正的枕形畸变。畸变只改变图像的形状,不会降低图像的分辨率。校正畸变通常是通过改变光阑位置、采用对称系统等方式来校正。 <br>
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