器材搭配

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'''校正二级光谱的条件是各块透镜的玻璃有相同的相对色散'''。但是，现在尚没有相对色散相同而阿贝常数又相差较大的常用光学玻璃，上述条件是满足不了的。这就是光学系统校正二级光谱非常困难的原因。
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'''校正二级光谱的条件是各块透镜的玻璃有相同的相对色散'''。但是，现在尚没有相对色散相同而阿贝常数（阿贝数越大，色散越低）又相差较大的常用光学玻璃，上述条件是满足不了的。这就是光学系统校正二级光谱非常困难的原因。
  
 
一定焦距的双胶合物镜，其二级光谱不仅与结构参数无关，而且对各种玻璃组合都差不多是一个常量。这是由普通光学玻璃的特性所决定的。
 
一定焦距的双胶合物镜，其二级光谱不仅与结构参数无关，而且对各种玻璃组合都差不多是一个常量。这是由普通光学玻璃的特性所决定的。

2020年11月15日 (日) 12:11的版本

目录

1 EDC

Leica M + 50/F1.5


2015:

主要是人文风光、扫街，适合带 LX3 (Leica 25mm/F2)，轻便够用



2 长途旅行

  • Z7II + Z 14-30/F4
  • 大疆 御 pro


2015:

  • 人文扫街 ----- LX3 (25mm/F2)，轻便，没那么引人注意
  • 风光人像 ----- D700 + Zeiss 25/2.8 或者 AF-S 24-120/F4 G ED VR



3 攀岩宠物专题

  • Z7II + Z 14-30/F4
  • DF + 85/F1.8 G


2015:

  • D700 + 24-120/F4
  • DF + Sigma 12-24 或者 AIS15/3.5



4 镜头分析笔记

4.1 MTF

MTF (Modulation Transfer Function) 调制传递函数，是描述镜头性能的方式之一。

  • 对比度：代表着镜头表现光线亮和暗的能力（例如黑和白）。对比度越高，图片内容越清楚
  • 分辨率：代表着镜头对细节的表现能力。


MTF 曲线图可以看出：

  • 分辨率
  • 对比度
  • 色散和横向色差
  • 像场弯曲


看一个 Nikon 58 1.4G 的 MTF 图：

Nikon-58-1.4-MTF.jpg


  • 横轴表示从画面中心到边缘的距离。如果是全画幅传感器，可以理解为距离传感器中心的距离，单位为 mm
  • 纵轴表示对比度 / 分辨率的值，1 最好，0 最差
  • 实线表示镜头径向（一组与半径平行的测试线）的成像性能，用字母“S”(Sagittal) 表示
  • 虚线表示镜头切向（一组与半径垂直的测试线）的成像性能，用字母“M”(Meridonial) 表示
  • 虚、实两条曲线越接近，代表镜头的色散和色差控制的很好。。。亦有厂家说明，越接近，镜头的虚化越好越自然
  • 10线/mm 的曲线越接近 1，镜头的成像对比度就越好。
  • 30线/mm 的曲线越接近 1，镜头的分辨力就越高。


4.2 MTF 测试方法

由于光学镜头从中心到边缘成像能力并不一致，因此厂家通常会从中心到边缘，选取多个点进行测试。如下图，Nikon 的全画幅机器，一般选取了距离画面中心 5mm，10mm，15mm，20mm 的点进行测试：

MTF-test-01.png


测试方法就是用几组白色背景的黑色直线，来测试对比度和分辨率，

  • 一组 10 lines/mm 的白底粗黑线，用来测试对比度（共两组：S 和 M）
  • 一组 30 lines/mm 的白底细黑线，用来测试分辨率（共两组：S 和 M）

10 lines/mm 的粗线、 30 lines/mm 的细线各有两组，一组与半径平行，叫做Sagittal，另一组与半径垂直，叫做Meridonial。主要是为了测试色散和色差：

MTF-test-02.png


牛逼的镜头应如下左图，清晰可见，越往右，镜头成像就是越来越差：

MTF-test-03.png


4.3 MTF 图判读

  • 在中心点，镜头的对比度和分辨率最好，越往边缘越差。
  • 一般来讲，纵轴值大于 0.9 镜头非常优秀，0.7~0.9 优秀，0.5~0.7 普通，低于 0.5 差
  • 如果 MTF 曲线的中间部位有呈波浪状，这表明了镜头的另一个参数： 场曲 (像场弯曲，Field Curvature) ，是指因镜片缺陷，使平面上发出的光经过镜头成像后，清晰的最佳实像面不是平面而是一个曲面。有波浪就代表有像场弯曲，越大就越严重。。。


4.4 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。


4.4.1 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。

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。


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

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。

Coma-02.jpg


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：

Astigmatic-02.jpg

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。。。


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。

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。

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


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。


4.4.2 色差

波长短者折射率大。透镜组中各色光会因不同的折射率而有不同的传播途径，结果导致各色光有不同的成像位置和不同的成像倍率。这种成像的色差异称为色差（Chromatic Aberration）。

通常按接收器的性质选定两种单色光来描述色差。对于目视光学系统，一般选蓝色的 F 光 (486nm)和红色的 C 光 (656nm)。


色差有二种：

  • 描述二种色光对轴上物点成像位置差异的色差称为位置色差或轴向色差
  • 因不同色光成像倍率的不同而造成物体的像大小差异的色差称为倍率色差或垂轴色差。


轴向色差（Axial Chromatic Aberration）：

不同波长（颜色）的光线由于折射率的差异（色散），在通过透镜时将发生不同程度的偏折然后交光轴于不同的位置，这就是轴向色差（也称为纵向色差）。

Axial-Chromatic-Aberration-01.jpg

轴上点 A 发出一束近轴白光，经光学系统后，其中 F 光交光轴于Af' ，C 光交光轴于 Ac' 。显然，这两点是 A 点被蓝光和红光所成的高斯像点。若 F 光和 C 光的两像点重合，称光学系统对这两种色光消色差（Achromatism ）。通常所谓的消色差系统（Achromatic System ），就是指对二种选定的色光消位置色差的系统。


由于色差，光轴上一点即使以近轴光成像也不能得到清晰像。上图中，若设 A 点仅发出红、蓝二种色光，则在过 Af' 的垂轴光屏上将看到蓝色的像点外有红圈；而在过 Ac' 的 屏上，则是红色的点外有蓝圈。可见，色差严重影响光学系统的像质，所有成像用的光学系统都必须校正色差。


对于正常色散材料而言，波长越长折射率越小，像点越远离透镜，对于反常色散材料则相反。


轴向色差会使得不同颜色的光轴向成像分离，校正时需要选择特定的两个成分进行校正，对于目视光学系统常选取 F 光（486nm，蓝色）和 C 光（656nm，红色）来校正初级色差，这时对于其它波长成分是欠校正的，这就是称为二级光谱的高级色差。

轴向色差是孔径（光圈）的函数，与视场无关，通常使用两种不同折射率材料的胶合透镜来消除。


倍率色差（Lateral Chromatic Aberration）：

倍率色差指的是轴外物点成像放大率随波长（折射率）的变化而变化，所以也称为横向色差。

Lateral-Chromatic-Aberration-01.jpg

Axial-Chromatic-Aberration-02.jpg

蓝光波长短，折射率大，焦距短，像距短，则在主体清晰像距的地方会叠加放大的虚像。。。

红光波长长，折射率小，焦距长，像距长，则在主体清晰像距的地方会叠加缩小的虚像。。。


倍率色差是折射率与视场的函数，可以通过移动孔径位置或者透镜间距的方式校正。

与彗差和畸变类似，我们可以通过设计对称的结构来消除倍率色差


4.4.3 消色差

半复消色差（Semiapochromat）和复消色差（Apochromat）


消色差系统一般是对 F 光（蓝）和 C 光（红）这二种色光校正位置色差，它们的公共焦点或像点相对于中间色光的焦点或像点仍有偏离， 这种偏离称为二级光谱（Second Order Spectrum ）。对于成像波段较宽的光学系统，二级光谱的存在将使它不能给出无色的高品质像。


校正二级光谱非常困难，只有对成像和清晰度要求特别高的系统，如研究用显微镜物镜、长焦距平行光管等，才设法予以校正或减少。


同时校正位置色差和二级光谱即是对三种色光消色差，这种对三种色光校正位置色差的系统称为复消色差光学系统（Apochromatic System ）

参考：

  • R + B: 为洋红色
  • R + G: 为亮黄色 （50%G 为橙色）
  • G + B: 为亮青色


光学系统对 F 光和 C 校正了位置色差以后，其公共焦点至中间色光（设为D 光）焦点间的距离由位置色差系数决定


校正二级光谱的条件是各块透镜的玻璃有相同的相对色散。但是，现在尚没有相对色散相同而阿贝常数（阿贝数越大，色散越低）又相差较大的常用光学玻璃，上述条件是满足不了的。这就是光学系统校正二级光谱非常困难的原因。

一定焦距的双胶合物镜，其二级光谱不仅与结构参数无关，而且对各种玻璃组合都差不多是一个常量。这是由普通光学玻璃的特性所决定的。

但是也有少数特种玻璃，如TF3等，在P ～v图中离开直线相对较远，用它来与常用的K9玻璃组成双胶合物镜，二级光谱可减小1/3。

特别值得指出，利用萤石（CaF2 ）作透镜材料，可以很好地校正二级光谱，其常数为： n D = 1.43385，n F -n C = 0.00454，v = 95.56，n F = 1.43705。它在 P 〜v 图中远离直线，决定了它在二级光谱校正方面的重要意义。例如用它和TF3组合时，其二级光谱为0.0000700f ’。可惜具有良好光学均匀性的大块萤石极少且贵，一般只能用它来设计制造复消色差显微物镜。

如果双透镜分离，可以证明，反而会导致二级光谱的增大。所以实际上，可能实现的长焦距复消色差物镜，只能用三块透镜组合而成，并且只能有相当小的相对孔径。三块透镜的玻璃在P ～v图上应包围成尽可能大的三角形面积。

用普通光学玻璃达到复消色差目的的另一途径是应用等效透镜。由二块适当的玻璃透镜组成的镜组在给定光焦度时，其等效阿贝常数和等效相对色散值有别于普通玻璃所具有的线性关系。但用此方法设计成的复消色差系统，将会有比较复杂的结构。

日本的 Sumita 公司制造了一种可以取代萤石的新型超低色散光学玻璃CaFK95，其光学常数几乎与萤石相同。另外，德国Schott玻璃厂的FK类和KZFS类，部分具有特殊色散的玻璃也是校正二级光谱的上好材料，使设计复消色差系统具有更广泛的前景。

http://reader.epubee.com/books/mobile/7c/7c4b537fb1d1b12c89c9c49f5b97df88/text00014.html#page124


4.5 低色散玻璃

  • 天然萤石具备理想的超低色散（阿贝数95.1，阿贝数越大，色散越低），但无色的天然萤石稀少，块头小，质地软脆难以加工，在水汽中容易失去透光度
  • 火石玻璃。一类添加了氧化锑或氧化砷的火石玻璃（Short Flint，肖特厂称 KzF 或 KzFS）具有不错的反常部分色散性能，它们的蓝紫光色散占比低于预期。尽管性能不如萤石，它仍在早期复消色差的镜头与天文望远镜中发挥主要作用。此后，这类玻璃配方被成分更廉价的氧化硼、氧化铅取代，在材料环保化的今天，则由含氧化铌的配方接棒
  • 柯达 Morey 牵头的团队开启了镧玻璃的时代，徕卡实验室Heinz Brömer等人开发出一系列具备反常色散性能的氟磷冕玻璃与重磷冕玻璃，肖特也开发出阿贝数超过 80 的氟磷冕玻璃，但还缺少实用化的产品，填平传统氟冕玻璃（例如FK3）与萤石之间的鸿沟
  • 直到六十年代，随着长焦镜头发展，厂商亟需代替萤石的低色散玻璃，Schott因此发表了FK50 （折射率1.486，阿贝数81.5），以及更先进的FK51 （折射率1.487，阿贝数84.5）。小原公司受此影响，很快推出完成度更高的FPL51（折射率1.497，阿贝数81.6）。由于小原的产品使用磷酸铝代替了肖特配方中的磷酸（钠盐），耐水、耐磨性能明显改善，熔炼时玻璃组成的稳定性也更好，很快推广。在这一过程中，供职小原的玻璃专家保井秀夫功不可没，从1966年开发出FPL51，到1984年获得FPL53的配方体系，他都是核心人物。
  • 如果我们总结氟磷冕玻璃的特点，那就是，加工性能和异常色散性能都介于萤石和普通冕玻璃之间。在制造上，由于含大量的氟化物，这类材料时时刻刻都在挥发，最终成品的品质难以控制；大量的氟化物还使玻璃容易析出结晶或形成脉理，破坏均质；某些组分会与氧气反应，导致表面失去光泽；侵蚀传统的黏土坩埚，只能用白金衬里的坩埚熔炼；质地软，强度低，易膨胀，遇水容易失去光泽（但还优于萤石），难加工成镜片。即使是今天，要制造低成本、易加工的氟磷冕玻璃，也并非易事。不过，随着厂家不断优化配方与熔炼流程，冷加工部门逐渐革新自己的研磨工艺，ED（佳能称UD、适马称SLD）镜片还是越来越广泛地应用在各类镜头中了，因为它们对于数码高像素摄影必需的色散控制有无可替代的作用。


4.6 Reference







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