摄影师高级考评员培训班讲义钱元凯主讲一、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。

但是实际的物镜并不能在像面上各处都形成理想的像。

物镜所形成的实际影像与理想影像之间的差异称为像差。

常见的像差可以分成两大类：一、单色像差单色光形成的像差。

它又可以分为以下几种：1. 球差。

一束平行于透镜光轴或与光轴夹角较小的光线称为近轴光线。

当近轴光线通过球面透镜时,经过透镜中心的光线与经过透镜边缘的光线不能相交于一点。

这种像差是由于透镜的表面是球面而产生的,因此称为球差。

焦距越长、相对孔径越大,球差越严重。

球差使一个明锐的光点变成模糊的光斑,而且光斑的大小与亮度的分布还随胶片的位置而改变（图3.15）。

使用非球面的镜片可以有效地减小球差。

2. 彗差。

与镜头光轴倾斜入射的光线称为远轴光线。

当远轴光线经过镜头时也无法汇聚于一点,经常是形成一个彗星状的光斑（图3.16a、b）,因此将这种像差称为彗差。

彗差是一种非常“顽固”的像差：即使设法消除了初级彗差后,常会产生出较小但是形状更复杂的二级彗差（图3.16c）。

3. 像散。

当一束很细的远轴光线经过镜头时会形成两条微小的焦线,一条沿着从画面中心指向边缘的半径方向,称为径向或弧矢焦线,另一条则沿着以画面中心为圆心的圆周方向,称为切向或子午焦线。

真正的像在两条焦线的中间,呈现为一个比较模糊的光斑（图3.17）。

由于两条焦线彼此分离,因此这个像差称为像散。

像散使画面边缘在子午与弧矢两个方向具有不同的清晰度。

4. 像面弯曲。

垂直于光轴的物平面成像,像面成为一个弯曲的曲面,称为像面弯曲,又称为像场弯曲或简称为场曲（图3.18）。

存在像面弯曲的镜头对平面物体成像时,画面的中部与周边部分不可能同时调准焦点。

5. 畸变。

直线的影像变为曲线称为畸变。

按照直线弯曲的方向,畸变又可以分为枕型畸变（又称为正畸变）（图 3.19a）及桶型畸变（又称为负畸变）（图3.19b）。

畸变经常是由于镜头光学结构与光圈位置不对称引起的。

与其他像差相比,畸变有一些特点：在视场的中央畸变为零,距画面中心越远畸变越大；通过视场中心的直线无畸变；畸变不影响镜头的清晰度。

二、色差当物方发出的是多种颜色的混合光（例如白光）时,除了各种色光在通过镜头时各自都会产生单色像差之外,从物方某点发出任何一束混合光线经过镜头后都不再汇聚于同一个像点,这种像差称为色差,又称为色散。

色差随镜头焦距的增加而增大。

色差又可以细分为两类：1. 位置色差。

一束平行于光轴（或光轴附近）的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。

位置色差常使白光的像点变成一个由多种彩色光环套叠的光斑（图3.20a）。

在红外摄影时,由于参与成像的光线主要是比红光波长更长的红外光,焦距比可见光更长,因此在镜筒上专门刻制了一个调焦标志,并以字符“R”标示。

使用红外胶片时,应在正常调焦之后,将调焦环的物距刻度转到“R”位置,补偿由于红外光色散所形成的调焦误差。

2. 倍率色差。

轴外光点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。

这种色差称为倍率色差,又称为横向色差或垂直轴色差（图3.20b）。

现在广泛使用各种低色散、高折射率与高色散、低折射率的特殊光学玻璃制造透镜以消除色散。

当能够使两种色光例如红、蓝光或黄、蓝光的焦点重合,则称该镜头为消色差镜头,若可以大幅度减弱三种或更多种色光的色差,则称为超消色差。

各种像差虽然表现不同,却又有些共同的特点。

镜头的成像质量是以上各种像差综合作用的结果。

虽然设计师可以用优选镜头光学结构、采用特殊的光学材料、选择光圈位置、采用双胶合镜组等多种手段成功地削弱任何一种像差,但是同时又可能诱发了其他几种像差,因此永远不可能得到理想的“最好”的镜头。

厂家只能根据镜头的用途与不同客户群体的需求综合平衡各种像差,力求更好；我们则应全面考虑镜头的性能、质量、价格与用途决定取舍。

在7种像差中,收缩光圈可以明显地改善球差、彗差、轴向色差并减弱像面弯曲的影响。

因此只要条件许可,使用F8—F11的中小孔径可以获得较好的像质,尤其是对于长焦镜头或低档的镜头,更能收到较为明显的效果。

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。

影响视场边缘的远轴光线受5种像差的影响,其中的像散与倍率色差还不能用光圈控制,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比较一致的影像。

（表1）中总结了各种像差的分类、名称、分布的位置、典型特征及克服的方法,可供读者参考。

二、镜头光学素质的检测与评价在第三节中讲述了七种像差,镜头的成像质量正是这些像差综合作用的结果。

但是由于直接度量这些像差并得到定性的结果会遇到很多困难,因此各国的厂商与质检部门经常用以下六个指标综合判断镜头的光学素质。

我们应当熟悉这些指标的含义与标准,以便能从摄影刊物的测试报告中判断一个镜头的优劣。

一、分辨率镜头的分辨率是指镜头分辩景物细节的能力。

各国都用黑白相间的线条组作为分辨率测试的标板,一条黑线与一条相邻的白线称为一个线对,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）”。

镜头分辨率的测试值会随着测试方法与测试条件而改变,其中最主要的影响因素有：测试标板的特性：标板的反差越高,线条越细长分辨率读数越高。

测试的方法：用显微镜直接观察镜头形成的空间影像得到的目视分辨率读数最高；用被测镜头将特殊的标板投影到屏幕上所能判读出的投影分辨率其次；用胶片直接拍摄标板后在胶片上读出的摄影分辨率最低。

为了能尽量体现实际使用的效果,在面向用户的测试中,主要采用摄影分辨率的测试法。

摄影分辨率还会受到胶片质量、曝光条件、显影条件等诸多条件的影响。

由于分辨率的测试结果的这种不稳定性,我们应注意收集同一个测试站点（如国外某些知名杂志的测试专栏）的测试报告,以供参考,而不能用不同国家、不同系统的测试结果比较两个镜头的优劣。

在本书的附录中刊载了我国镜头分级的国家标准,从中可以发现：标准镜头的分辨率最高、变焦镜头不如定焦镜头、大画幅镜头不如小画幅镜头；长焦距镜头分辨率较低但是分布比较均匀；广角镜头中心较高,边缘明显下降。

因此评价镜头分辨率的优劣时最好用同类的镜头进行比较,否则应充分考虑到不同类型间的差异。

国家标准仅要求用国产黑白胶卷测试镜头全开光圈时的分辨率,国外则经常测试镜头在其他光圈下的分辨率,更能反映出镜头在不同光圈下像质的变化。

二、镜头的锐度与调制传递函数锐度表示镜头反映景物中细微的影调与色调差别的能力。

为了更形象的表现锐度与分辨率的关系及区别,在（图3.21）中展示了三种镜头对高反差与低反差两种分辨率标板所成的像。

从图中可见：高锐度、低分辨率镜头的影像边缘非常锐利,在分辨率要求不高或景物对比度较低时,影像的质量明显较好,而高分辨率、低锐度的镜头则在景物对比度较高时有更高的分辨率。

当景物的反差较低时,分辨率迅速下降,以致于在胶片上很难再现皮肤的质感、纺织品的纹理等明暗与色彩细微变化的细节。

人像摄影中常用的柔焦镜就是刻意降低镜头锐度以便柔化皮肤缺陷的附加镜。

由于锐度对低反差景物的像质影响更大,因此国外常用低反差标板的分辨率来显示镜头的锐度。

光学仪器行业用“传递函数”（简称“MTF”）表示镜头的锐度,MTF值的范围在0—1（或0—100%）之间变化,MTF值越大,镜头的锐度越高。

一个镜头的MTF值随测试标板线条的疏密程度而变化,国外一般在像面上每毫米有10、20或40条线条的条件下测试,称为的空间频率为10、20 、40线对/毫米。

原国家标准则要求在空间频率为30（线对/毫米）的条件下测试。

一个镜头的MTF值还随着镜头的孔径及在画面上的测试位置而改变。

由于影响MTF值的参数较多,所以有多种表示镜头MTF值的方法,其中最常用的是图示法。

（图 3.22）是一个变焦镜头在210mm/5.6（图a）与70mm/4（图b）两种焦距段的MTF测试图。

图中用空间频率作横座标、用MTF值（%）作纵座标,表示被测镜头在画面的中部、四周与四角传递函数值随影像的空间频率而改变的规律。

从图中可见：长焦端中心与边缘像质比较一致,而在短焦端中心的MTF值明显高于周边区域。

从图中还可以发现：MTF值随空间频率的提高而下降,曲线下降得越漫,镜头的锐度越高,这是所有镜头的普遍规律。

因此我们在阅读镜头的MTF测试数据时,首先应了解是在什么空间频率下测试的。

图中曲线与垂直粗线的焦点是空间频率为30线对/毫米时的MTF值,常用它简明的表示镜头的锐度。

（图3.23）是两隻名牌镜头卡尔.蔡司Sonnar T* 180mm/1:2.8（曲线“Z”）与徕兹Elmarit-R 180mm/1:2.8 （曲线L）的MTF的对比曲线,它显示出在不同的光圈下视场中不同位置MTF值的分布状态。

这是现在最常用的表达形式。

a图是全开孔径、b图是F8孔径。

横座标表示从画面中心到测试点的距离（毫米）纵座标表示相应的MTF值（%）。

三组曲线分别对应于空间频率为10、20、40（线对/毫米）的曲线,实线与虚线表示径向与切向的MTF曲线,实现与虚线分离表示镜头的像散较大。

从图a中可见在全开光圈时,在画面中心区两个镜头差别甚微,在整个视场中像质都比较均匀,整体处于中等水平,由于像散的分布不同,蔡司在画面的中部较好而徕兹则在画面边缘占优势。

从b图可见,收缩光圈后在画面的中部蔡司镜头MTF 曲线明显升高,表明其锐度显著提高并优于徕兹,但是在画面的边缘由于像散的恶化（实线与虚线分离）造成像质下降。

现在国内外大多数厂商都应用（图3.23）的方式表示镜头传递函数的特点。

从上文可知,判读镜头传递函数曲线图的原则是：各条曲线越高越好、越平直（中心边缘越一致）越好、一对子午、弧矢曲线越接近越好。

三、杂光投射到胶片上的非成像光线称为杂光。

射入镜头的成像光线有些会在镜片表面被反射（图3.24中“A ”）,这些反射光线还可能被其他镜片再次反射到底片上,一般的镜头中,杂光主要是由这种镜片的二次反光形成的。

在中低档的镜头与相机中,镜框、镜筒、机身内壁的反光（图3.24中“C ”）及劣质遮光罩的反光（图3.24中“D ”）也会造成严重的杂光。

镜头发霉或镜片沾有灰尘、指痕、表面擦花、划伤也都会产生杂光（图3.24中“B ”）。

杂光在整个画面上增加了一层灰雾,大大降低了影像色彩的饱和度。

在画面的阴影区灰雾可能掩盖了景物的细节与层次,影响尤其严重。