什么是光學(xué)像差？

為了獲得最佳圖像質(zhì)量，必須校正鏡頭光學(xué)像差。如果沒(méi)有適當(dāng)校正，圖像最終會(huì)變模糊并丟失重要的圖像數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)介紹了六種光學(xué)像差，這些光學(xué)像差產(chǎn)生的原因，以及如何防止光學(xué)像差/減少光學(xué)像差的負(fù)面影響。

光學(xué)像差是指鏡頭設(shè)計(jì)上的缺陷，這種缺陷導(dǎo)致光線擴(kuò)散，而不是聚焦形成清晰的圖像，它包括圖像中的所有光線、僅某些點(diǎn)或邊緣失焦。成像時(shí)會(huì)出現(xiàn)多種類型的光學(xué)像差。制造一個(gè)可以校正所有潛在像差的理想視覺(jué)系統(tǒng)將會(huì)大幅增加鏡頭的成本。在實(shí)踐中，鏡頭總會(huì)存在某種形式的像差，但重要的是盡量減少像差的影響。因此，鏡頭設(shè)計(jì)制造通常都會(huì)做出一些妥協(xié)。

為了解釋像差如何使圖像模糊，首先需要解釋一下：什么是彌散圓？來(lái)自目標(biāo)的光點(diǎn)到達(dá)鏡頭然后會(huì)聚在傳感器上時(shí)，圖像會(huì)很清晰。但是如果光點(diǎn)會(huì)聚于傳感器前后，則傳感器上的光線會(huì)廣泛分布、擴(kuò)散。圖1中可以看到這種情況，其中可以看到點(diǎn)光源會(huì)聚在傳感器上，但隨著傳感器位置的變化，沿傳感器散布的光量也會(huì)發(fā)生變化。

光線越分散，圖像就越無(wú)法聚焦。除非光圈很小，否則圖像中距離較遠(yuǎn)的目標(biāo)通常會(huì)使背景或前景失焦。這是因?yàn)樵谇熬爸袝?huì)聚的光會(huì)與來(lái)自背景中較遠(yuǎn)目標(biāo)的光在不同的點(diǎn)上聚焦。

彗  差

彗差會(huì)導(dǎo)致應(yīng)聚焦為圖像中一個(gè)點(diǎn)的光變成光錐。由于出現(xiàn)了彗差，從鏡頭不同部位進(jìn)入的光線在沿傳感器所在圖像平面聚焦的位置會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)。

以一定角度進(jìn)入鏡頭的光線會(huì)導(dǎo)致光線在圖像平面上形成不斷擴(kuò)大的彌散圓軌跡。如圖2所示，這可能會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)大的光線軌跡影響任何試圖成像的點(diǎn)光源。在圖2頂部，彗差圖像可以看作是向下擴(kuò)大的彌散圓的點(diǎn)光源，形成一個(gè)錐形圖像。這通常是光學(xué)元件未對(duì)準(zhǔn)的結(jié)果。

彗差發(fā)生在點(diǎn)光源中，例如恒星，因此彗差是天文攝影中特別重要的像差。減小光圈可以消除一些會(huì)引起這種效果的光線，但是對(duì)于天文攝影來(lái)說(shuō)，減小光圈會(huì)消除很多成像必需的主題元素。在這種情況下，需要有專門的彗差校正設(shè)計(jì)鏡頭。

散  光

在兩個(gè)垂直平面上傳播的光線聚焦于不同點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生散光。從圖3中可以看到，其中兩個(gè)焦點(diǎn)分別用紅色水平面和藍(lán)色垂直面表示。圖像中的最佳清晰度點(diǎn)將位于這兩個(gè)點(diǎn)之間，其中一個(gè)平面的彌散圓寬度并不大。當(dāng)光學(xué)元件未對(duì)準(zhǔn)時(shí)，散光會(huì)導(dǎo)致圖像的側(cè)面和邊緣出現(xiàn)失真。散光通常被描述為查看圖像中的線條時(shí)缺乏清晰度。彗差和散光通常是鏡頭系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)元件發(fā)生類似未對(duì)準(zhǔn)的結(jié)果。散光加劇時(shí)，肯定也會(huì)發(fā)生彗差。

這種形式的像差可以使用大多數(shù)優(yōu)質(zhì)光學(xué)元件中的適當(dāng)鏡頭設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行校正。用于固定散光的光學(xué)元件最初由卡爾蔡司操刀設(shè)計(jì)，并且已經(jīng)有了一百多年的發(fā)展歷史。如今通常只有劣質(zhì)鏡頭才會(huì)出現(xiàn)這種情況，或者在鏡頭掉落導(dǎo)致內(nèi)部光學(xué)元件發(fā)生損壞或位移的情況下才會(huì)發(fā)生。

（珀茲伐）場(chǎng)曲

許多鏡頭都有圓形焦點(diǎn)場(chǎng)。這可能會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)軟角，并主要使圖像中心處于聚焦位置。然而，大多數(shù)鏡頭都有些圓形的焦點(diǎn)，如果不進(jìn)行裁剪，就無(wú)法聚焦整個(gè)圖像。因?yàn)榇蠖鄶?shù)鏡頭光學(xué)元件都有曲面。場(chǎng)曲是多個(gè)焦點(diǎn)導(dǎo)致圖像平面不平產(chǎn)生的結(jié)果。圖4顯示圖像平面為曲面，因?yàn)槊總€(gè)焦點(diǎn)都位于垂直于光軸的不同平面上。用一條線連接這些點(diǎn)時(shí)，會(huì)顯示出一個(gè)曲面。光線離開(kāi)光軸進(jìn)入鏡頭后，焦點(diǎn)并沒(méi)有聚焦在傳感器上。

相機(jī)鏡頭已在很大程度上對(duì)此進(jìn)行了校正，但許多鏡頭可能會(huì)存在一些場(chǎng)曲。有些傳感器制造商實(shí)際上正在開(kāi)發(fā)可校正彎曲焦點(diǎn)的彎曲傳感器。這種設(shè)計(jì)將允許傳感器校正像差，無(wú)需采用具備高精度的、費(fèi)用高昂的鏡頭設(shè)計(jì)。采用這種類型的傳感器，可以使用價(jià)格更實(shí)惠的鏡頭來(lái)產(chǎn)生高質(zhì)量的結(jié)果。開(kāi)普勒空間天文臺(tái)實(shí)際就采用了這種傳感器，其中彎曲傳感器陣列用于校正望遠(yuǎn)鏡的大型球面光學(xué)元件。

失  真

失真是指圖像向圖像幀的邊緣和側(cè)面扭曲。焦距極長(zhǎng)或極短的鏡頭的失真效果可能最為突出。兩種最常見(jiàn)的失真形式是桶形失真和枕形失真。

桶形失真

桶形失真（又稱桶形畸變）的圖像邊緣和側(cè)面遠(yuǎn)離中心彎曲。這在視覺(jué)上看起來(lái)像是圖像中心外凸，因?yàn)樗东@到了彎曲視野（FoV）的外觀。例如，當(dāng)在高層建筑的高處使用較短焦距的鏡頭（又稱“廣角鏡頭”）時(shí)，可以捕獲更寬的FoV。當(dāng)使用產(chǎn)生極度扭曲和寬FoV的魚(yú)眼鏡頭時(shí)，F(xiàn)oV會(huì)實(shí)現(xiàn)最夸張的效果，如圖5所示。在這張圖像中，網(wǎng)格線用于幫助說(shuō)明失真效果如何使圖像向靠近側(cè)面和邊緣的地方拉伸。

進(jìn)入鏡頭的光線偏離光軸并導(dǎo)致桶形失真。使用廣角鏡頭可形成更大的成像區(qū)域，F(xiàn)oV會(huì)更寬，這種情況所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)可能比圖像各端出現(xiàn)的像差更重要。應(yīng)該注意的是，有直線鏡頭可以補(bǔ)償桶形失真并拉直FoV。這對(duì)于使用短焦距進(jìn)行圖像分析很重要。

然而，在某些高度可以采用多臺(tái)相機(jī)并排方式，但在大多數(shù)情況下，在某個(gè)高度，相機(jī)將需要更長(zhǎng)的焦距才能實(shí)現(xiàn)對(duì)更遠(yuǎn)目標(biāo)的清晰成像。因此，廣角鏡頭可以為航空成像或精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等其他應(yīng)用拍攝更多細(xì)節(jié)，但需要考慮高度要求。關(guān)鍵因素是視覺(jué)系統(tǒng)所需的地面采樣距離（GSD）。在相機(jī)固定且相機(jī)高度保持不變的環(huán)境中（例如溫室），使用廣角鏡頭有助于對(duì)大部分目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行成像。

枕形失真

當(dāng)光線通過(guò)枕形失真（又稱枕形畸變）向光軸彎曲時(shí)，圖像似乎向中間“收縮”。因此，圖像的邊緣和側(cè)面看起來(lái)會(huì)向圖像中心彎曲，如圖6所示，其中網(wǎng)格線越往中心彎曲，延伸越遠(yuǎn)。

這種形式的像差最常見(jiàn)于焦距較長(zhǎng)的遠(yuǎn)攝鏡頭。遠(yuǎn)攝鏡頭將放大圖像中的目標(biāo)，焦距越長(zhǎng)，最終圖像裁剪和縮放程度就越高。與其他像差一樣，該因素主要影響圖像的邊緣和側(cè)面。因此，保持圖像清晰的最簡(jiǎn)單方法是采用較小的鏡頭光圈。在圖6中，圖像的中心保持原樣，未發(fā)生失真，因此使用較小的光圈，最終可以阻擋從邊緣處進(jìn)入的失真光線。

復(fù)雜失真

復(fù)雜失真（又稱胡子畸變）是融合上述桶形失真和枕形失真而成的復(fù)雜畸變。胡子畸變會(huì)導(dǎo)致圖像內(nèi)部向外彎曲，圖像外部向內(nèi)彎曲。這是一種很罕見(jiàn)的畸變，其中影響圖像成像質(zhì)量的畸變不止一種。胡子畸變通常表明鏡頭設(shè)計(jì)非常差，因?yàn)檫@種畸變產(chǎn)生的原因在于光學(xué)錯(cuò)誤導(dǎo)致像差融合。

散  焦

幾乎所有用過(guò)相機(jī)的人都熟悉散焦像差。當(dāng)圖像只發(fā)生失焦時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)散焦像差。圖像清晰度和對(duì)比度降低會(huì)導(dǎo)致細(xì)節(jié)隨著鏡頭逐步換景而變得更加模糊。

通常原因在于圖像中沒(méi)有目標(biāo)位于目標(biāo)發(fā)射或反射的光聚到傳感器的位置。這意味著光線將在距離傳感器很遠(yuǎn)不同圖像平面上聚焦，從而導(dǎo)致圖像完全模糊。如圖7所示，所有光線都將形成很大的彌散圓，導(dǎo)致圖像完全失焦。

如需解決散焦問(wèn)題，只需調(diào)整鏡頭的焦距或相機(jī)的位置，直到目標(biāo)清晰聚焦。但是，在某些條件下，相機(jī)無(wú)法聚焦于特定目標(biāo)。通常原因在于距離，主體離鏡頭太近或太遠(yuǎn)。在無(wú)法聚焦的情況下，可能需要使用不同的相機(jī)鏡頭來(lái)改變焦距和最小焦距?；蛘呖s小光圈也可以讓鏡頭聚焦在更遠(yuǎn)的其他目標(biāo)上，有效增加景深，即保持對(duì)焦的最近和最遠(yuǎn)目標(biāo)之間的距離。

色   差

縱向/軸向像差（也稱縱向/軸向色差）

光的顏色代表一種特定波長(zhǎng)的光。彩色圖像將有多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)入鏡頭并由于折射而聚焦在不同的點(diǎn)?？v向或軸向色差產(chǎn)生的原因是不同波長(zhǎng)光線沿光軸在不同點(diǎn)聚焦。波長(zhǎng)越短，其焦點(diǎn)就越靠近鏡頭，而波長(zhǎng)越長(zhǎng)，則會(huì)發(fā)生相反情況，即焦點(diǎn)離鏡頭越遠(yuǎn)，如圖8所示。采用更小的光圈，進(jìn)入鏡頭的光線可能仍會(huì)聚焦在不同的點(diǎn)，但“彌散圓”的寬度（直徑）會(huì)大幅減小，避免圖像模糊嚴(yán)重。

橫向/側(cè)向像差（又稱橫向/側(cè)向色差）

導(dǎo)致不同波長(zhǎng)沿圖像平面分布的離軸光為橫向或側(cè)向色差。這種像差會(huì)導(dǎo)致圖像主體邊緣形成彩色邊紋。校正難度比縱向色差更高。

可以使用產(chǎn)生不同折射率的消色差雙合透鏡來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。將可見(jiàn)光譜的兩端聚焦在同一個(gè)焦點(diǎn)上，可以去除彩色邊紋。對(duì)于橫向和縱向色差，減小光圈大小也有助于解決這一問(wèn)題。此外，建議最好不要在高對(duì)比度環(huán)境（即背景非常亮的圖像）中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像。顯微鏡中可以使用復(fù)消色差（APO）的鏡頭來(lái)代替消色差鏡頭，消色差鏡頭利用三個(gè)透鏡元件來(lái)校正入射光的所有波長(zhǎng)。當(dāng)顏色成為關(guān)鍵要素時(shí)，確保減少色差將會(huì)產(chǎn)生最佳效果。

底  線

隨著傳感器像素越來(lái)越高，鏡頭設(shè)計(jì)中的缺陷會(huì)隨著更嚴(yán)重的像差變得更加明顯。有幾種類型的像差，這些像差的共同點(diǎn)是會(huì)模糊邊緣附近的圖像。

改善圖像聚焦以使更多FoV處于聚焦點(diǎn)的最簡(jiǎn)單方法是采用較小的鏡頭光圈。在發(fā)生輕微像差的情況下，這一方案一般為首選解決方案。該方案將提供更長(zhǎng)的景深，但同時(shí)也會(huì)降低圖像的亮度。因此，只有在照明充足時(shí)，該解決方案才可行。

但鏡頭系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)元件可能會(huì)出現(xiàn)偏差。在像差非常強(qiáng)的情況下，仔細(xì)查看相機(jī)鏡頭的內(nèi)部光學(xué)元件可能是唯一的解決方案。為避免出現(xiàn)這種情況，鏡頭應(yīng)始終輕拿輕放，并進(jìn)行固定，以避免遭受過(guò)度沖擊或振動(dòng)。有些像差問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)整鏡頭的內(nèi)部光學(xué)元件來(lái)修復(fù)，但需要大量的精密工作，并且只建議由訓(xùn)練有素的專業(yè)人員進(jìn)行精密修復(fù)。

需要注意的是，另一種常見(jiàn)的像差是球面像差（球差）。由于球面透鏡元件的形狀為曲面，光線越靠近曲面邊緣，就會(huì)以更陡峭的角度彎曲，導(dǎo)致光線沿著光軸聚焦在不同的點(diǎn)上。