工业镜头光学畸变工业镜头畸变的现象|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

工业镜头畸变的现象

在理想的镜头上，光轴上的一点发出的光线通过镜头任一部分都可以汇聚成一个完美的点，即常说的成点像。但在球面镜片组成的镜头上，实际情况并非如此，通过镜头边缘的光线会偏离汇聚点。这是因为在边缘部分光线所发生的折射弯曲程度比中心要大，这就是球面像差，又称球差。

一般球面镜片光线在进入镜片后到焦平面时在其边缘部分比中央部分容易产生严重的折射与弯曲，此现象会导致锐利度和对比度的降低及光斑的产生而使得影像品质下降，而且光圈越大越严重，所以可以缩小光圈的方式是可以改善这种情况，但是无法完全消除。而此种因球面镜片所产生的像差称为球面像差。

由于球差的影响，点的成像不再是完美的点，而是一个小小的斑，降低了成像的锐度。与物高无关而与入射光瞳口径三次方成正比的像差，它使理想像平面中各像点都成为同样大小的圆斑。轴上物点只有球差这一种像差，通过入射光瞳上不同环带的光线，经过光学系统后会聚在光轴上的不同点。这些点与近轴光的像点之差称为轴向球差。

球差，亦称球面像差。轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差。一般是以实际光线在像方与光轴的交点相对于近轴光线与光轴交点的轴向距离来度量它。

对于单色光而言，球差是轴上点成像时唯一存在的像差。轴外点成像时，存在许多种像差，球差只是其中的一种。除特殊情况外，一般而言，单个球面透镜不能校正球差，正透镜产生负球差，负透镜产生正球差。

对一定位置的物点而言，当保持透镜的孔径和焦距不变时，球差的大小随透镜的形状而异。因此，以适当形状的正、负透镜组合成的双透镜组或双胶合镜组是可能消球差的一种简单结构。

保持透镜的焦距不变而改变透镜形状，犹如把柔软的物体弯来弯去，故被称为透镜的整体弯曲，它是光学设计时校正像差的一种重要技巧。

在没有球差的理想圆形镜头上，对某一点对焦成像，则该合焦点前后的点都会在像平面上均匀弥散为一个圆，这种弥散形成了焦外成像。

球差与光圈值有关，大光圈镜头球差特别明显，收缩光圈可以减小球差，而聚光线最窄的地方的位置也会不同。球差给大光圈镜头带来对焦偏移问题，镜头开启最大光圈取景对焦的，此时球差最严重，对焦系统在此条件下找到了锐度最高的对焦位置。拍摄前瞬间，镜头光圈会收缩到设定的数值，此时球差减小，锐度最高的位置就会发生变化。

球差是可以矫正的。改变前后球面的曲率半径的比值、利用正负透镜组成消球差透镜组都可以减小球差，使用非球面镜片可以减少甚至消除某些特定球差。而浮动对焦系统可以减轻对近距离对焦时增加的球差。但实际上没有镜头能完美消除球差。而且球差是焦内、焦外成像设计的重要部分。

没有矫正球差的镜头则不同，其弥散圆并不均匀。近景点由于边缘光线集中，弥散圆边缘明显、中间较淡。远景点不同了，中央部分光线集中，弥散圆边缘较淡。

焦外成像是大光圈镜头光学设计的重要考量因素，球差矫正再好，大光圈成像锐利，如果焦外生硬，这个镜头效果也不是很理想。如果保留一定的球差能明显改善焦外成像，那么就要接受附带的大光圈锐度降低和收缩光圈焦点偏移。如同某些光学设计用暗角来提升边缘成像锐度，用场曲来改善畸变一样。

镜头畸变现象及其校正方法

相机的成像过程实质上是空间坐标系的转换。首先空间中的点由 "世界坐标系" 转换到 "像机坐标系"，然后再将其投影到物体成像平面 ( 图像物理坐标系 ) ，最后再将成像平面上的数据转换到图像像素坐标系。但是由于透镜制造精度以及组装工艺的偏差会引入畸变，导致原始图像的失真。

一般来说，镜头畸变实际上是光学透镜固有的透视失真而产生的不规则的折射，也就是因为光学透视造成的失真，这种失真对于相机的成像质量是非常不利的，但因为这是透镜的固有特性，所以无法全部消除，只能优化改善。

高档镜头的光学设计以及生产用料考究，利用光学镜片组的优化设计、选用高质量、高档次的玻璃来制造光学镜片，可以将透视变形降到很低的程度。但是完全消除畸变是不可能的，目前最好质量的镜头在极其严格的条件下测试，镜头的边缘也会产生不同程度的变形和失真。

产生这种失真现象的原因其实就是光学透视，是正常的透视。众所周知，眼睛感觉远近的一种方法就是利用物体的相对大小来感知，也就是"近大远小"。透视的另一种表现，即距离物体越近，光学透视效果越强烈。透视的这两方面特征同样适用于所有的镜头，即：

1．被摄体越远，显得越小；

2．镜头离被摄体越远，被摄体外观上的大小变化越小。

镜头畸变的分类

枕型畸变

枕形畸变（Pincushion Distortion），又称枕形失真，它是由镜头引起的画面向中间"收缩"的现象。我们在使用长焦镜头或使用变焦镜头的长焦端时，最容易察觉枕形失真现象。特别是在使用焦距转换器后，枕形失真便很容易发生。当画面中有直线的时候，枕形失真最容易被察觉。

枕形畸变

桶形畸变

桶形畸变（Barrel Distortion），又称桶形失真，是由镜头中透镜物理性能以及镜片组结构引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。失真是由于光线的倾斜度大引起的，与球差和像散不同，失真不破坏光束的同心性，从而不影响像的清晰度。失真表现在像平面内图形的各部分与原物不成比例，畸变的情况与光阑的位置有关。

桶形畸变(桶形失真)

线性畸变

线性畸变（linear distortion），又叫线性失真。由于向上倾斜了照相机，镜头所瞄准的方向导致物体目标的两侧以不相同的角度汇聚产生畸变，即它们朝向中心汇聚并产生了正常的纵深透视，这种失真现象被称为线性畸变。

线性畸变

镜头畸变的产生

对于理想光学系统，在一对共轭的物像平面上，放大率是常数。但是对于实际的光学系统，仅当视场较小时具有这一性质，而当视场较大或很大时，像的放大率就要随着视场而异，这样就会使像相对于物体失去相似性。这种使像变形的成像缺陷称为畸变。

畸变定义为实际像高y ' 与理想像高y0 ' 之差y ' -y0 ' ，而在实际应用中经常将其与理想像高y0 ' 之比的百分数来表示畸变，称为相对畸变。

有畸变的光学系统，若对等间距的同心圆物面成像，其像将是非等间距的同心圆。当系统具有正畸变时，实际像高y ' 随视场的增大比理想像高y0 ' 增大得快，即放大倍率随视场的增大而增大，则同心圆的间距自内向外逐渐增大；反之，当为负畸变时，圆的间距自内向外逐渐减小。若物面为如下图所示的正方形网格，那么，由正畸变的光学系统所成的像呈枕形；由负畸变光学系统所成的像呈桶形。