Photography 笔记(三)

镜头

啊, 器材党!这部分主要覆盖了一些 aberration 之类的东西,方便大家甄别一些 review 上面的意见。这分为 chromatic aberration(色差)和 Seidel aberration(三阶 aberration),后者是因为前面使用了一阶近似导致的,包括 spherical aberration(球差),oblique aberrations,field curvatures(场曲)和 distortions。

引起色差的主要原因是 dispersion(色散):即不同波长的光在同一介质的折射率并不相等,通常来说波长越短(如蓝紫光)折射率越大。为了矫正色差,我们会在凸透镜 (crown)后方加入一个凹透镜(flint),这称为 achromatic doublet,那么实际为了获得某个焦距的效果就会使用一片焦距更短的凸透镜,然后利用凹透镜将其焦距延伸到设定值,其好处就是消解色散带来的紫边等效 果。说到这个色差的现象,一般表现为 longitudinal(axial)和 lateral(traverse)两种,前者表现形式是原本均匀的色斑中间出现了其他颜色,如 bokeh 中偏蓝紫色的部分(光线在轴向上汇聚的偏差);后者的表现形式是边缘出现了色边(如紫边),这是光线在焦平面上没有汇聚。后者往往可以通过软件进行矫正。 一般来说,前者可以通过收缩光圈来避免,在远离中心的区域更为严重一些;后者也可以通过收缩光圈避免,但是到处都可以看见。

球差的矫正有两 种策略,一是使用非球面镜,二是使用折射率不同的一片凹透镜,那么从某种角度来说 Canon STF 镜头和 Nikon DC 镜头如果是利用球差产生的效果,那么很可能就是在调整这片凹透镜和凸透镜之间的关系。球差可能导致的一个后果是跑焦(focus shift),相机无法判断到底是那种颜色的焦点是真实的焦点。这种情况往往是通过缩小光圈来解决球差带来的问题的。

oblique aberration 一般的表象是越远离光轴越严重,缩小光圈能减少。主要形式之一是 coma(彗差),偏离球面 ideal lens 引起的,这时物体每个点在不同的同心圆(镜片)上成的像是非同心的大小不同的圆,形成指向中心的彗星状 PSF。 还有一种称为 astigmatism(散光),是偏离球面引起的,对于人眼等的确可能形变的介质,偏离球面就会导致水平和数值两部分光线聚焦点不同。但是对于镜头里面 的镜片来说,这个往往是不可能出现的(人家磨镜片就是要球面…),这体现在圆形和条形物体不能同时聚焦上这样的现象里(暗示着场曲和形变),这是因为 球面镜的像场并不是平面(如同 sensor)。为了矫正 astigmatism 往往需要 cylindrical lens(因此一般来说近视 + 散光使用的镜片需要有凹透镜和柱面镜)。场曲特别对使用小像场镜头到大画幅相机上看得尤为明显。distortion 包含 pincusion 和 barrel 两种方向的形变,即便收缩光圈也是无法改变这个形变的,但是现在有不少软件辅助进行这方面的矫正。

oblique aberration 产生的效果

光 线进入镜头后可能出现反射,这往往会带来眩光(glare,strong and dazzling light;另外有个词 flare,a sudden brief burst of bright flame or light 据 mm 说是同义词)与鬼影(ghost)。为了消除这种不必要的反射引起的像(会降低对比度),常常为镜头镀膜,镀膜(anti-reflection coating,简写为 ARC)厚度一般是光的波长的 1/4,这样通过干涉可以消除这种波长的光。但是实际操作中我们面对的是混合光,为此我们常使用多层镀膜(multi-coated)。我们常在照片上看 到的眩光和鬼影往往是镜头光圈、相机内部所成的像,这也是现在 computational photography 上研究的问题之一(一部分可以在 SIGGRAPH 07 的文章里面看到)。比较有意思的是这个领域的人耗尽心思要弄掉这种 artifact,搞 computer graphics 的人却在想怎么往 rendering 出来的场景里面加入人造的眩光,囧…

所谓的 vignetting(边角失光)一般是由于在边角入射角并非垂直导致接收到的能量偏小(\cos^4 \theta 这个影响级别),另外光圈形状也会造成轴向的失光,与镜头不平行的还可以出现猫眼也是失光的一种。

接下来谈谈衍射,衍射什么时候都会发生,只是我们是否注意得到。

一些不容易被人注意到的衍射现象。

在小光圈拍摄的时候衍射会变得严重起来,事实上整体影响程度还与 pixel 大小有关系,如果衍射产生的模糊大于一个像素覆盖的面积,我们就会感到模糊了。因此不同相机受到相同大小光圈影响也是不同的。有个所谓的 Abbe 衍射极限,d = \frac{.61 \lambda}{NA},这里分子对应于光圈孔径大小。如果 pixel 所占据的尺寸不小于它,这就说明这个相机在此光圈下是 diffraction-limited。

做长焦镜头里面有一个比较有意思的 trick 是避免使用一枚凸透镜,而使用一片凸透镜 + 凹透镜这种,这样的好处是能够减少镜片到 sensor 的距离。对于广角镜恰好相反,往往我们需要在凸透镜前增加凹透镜,这样能够延长后距,保证其大于机身的法兰距约束。能看懂镜头专利的话想来对设计镜头会是很有帮助的。

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Then the LORD rained on Sodom and on Gomorrah brimstone and fire from the LORD out of heaven;

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