色差 | 简介 镜头的设计宗旨是使光线在通过镜头折射后汇聚于一个焦点。然而，光线包含不同波长，它们的折射方式也各不相同。因此，不同波长的光线（例如红色、蓝色和绿色）可能不会汇聚于同一点。当这种情况发生时，图像中极亮或极暗部分的边缘会出现彩色条纹，从而影响图像质量。色差的背景 色差是由光的色散引起的，通过棱镜（在我们的案例中是镜头）可以很好地说明这一点。色散是将可见光分离成其不同波长的过程。光线从一种介质穿过另一种介质时，会在界面处发生折射或弯曲。图1：光线穿过棱镜，在进入和离开时都会发生弯曲。与绿色和红色光线相比，蓝色光线折射更强。图1描述了蓝色光线的折射强度强于绿色和红色光线。折射强度取决于波长以及光线穿过的棱镜的光学密度。较短的波长（蓝色）弯曲程度大于较长的波长（红色），而光学密度较高的材料弯曲程度大于光学密度较低的材料。折射率描述了光学密度。光学密度的一些示例： 真空 – 1.000 空气 – 1.0003 水 – 1.3333 冕牌玻璃 – 1.52 重火石玻璃 – 1.66 钻石 – 2.417 光线穿过镜头与穿过上述任何材料并无不同。镜头的焦距取决于折射率，因为不同波长的光线在穿过镜头进入传感器时会聚焦在不同的位置。理想情况下，镜头会通过将不同波长的光线汇聚到同一点来抵消它们的各种色散。然而，作为单个镜头，这种理想情况在技术上并不存在，因此，镜头的色散导致了色差。换句话说，多种颜色的光线在穿过镜头时会以不同的速度传播。这种色散通常会导致图像出现彩色边缘（红色、黄色、绿色、蓝色、洋红色等），尤其是在高对比度场景中的物体周围。为了补偿色散，光学系统由多个凸透镜和凹透镜组成，并由不同类型的玻璃制成，这些玻璃具有不同的色散水平。纠正两种波长色散的镜头称为消色差镜头。纠正三种波长色散的镜头称为复消色差镜头。图2：一个不存在的理想单镜头，能将波长汇聚到传感器内的同一点。色差的类型 色差主要有两种类型：纵向（轴向）色差和横向（横向）色差。纵向（轴向）色差 当不同波长的光线沿水平光轴（图3）在镜头的不同点分散时，会发生纵向色差。沿着光轴分散的波长被称为弥散圆，即使在图像中心也会导致不必要的彩色条纹。减少纵向色差的主要策略之一是缩小光圈，因为光圈负责控制入射光量。图3：绿光在像平面上清晰聚焦，而红光和蓝光则没有在像平面上清晰聚焦。横向（横向）色差 当不同波长的光线以一定角度进入镜头，然后沿同一焦平面聚焦在不同位置时，会发生横向色差。与纵向色差相比，横向色差仅出现在角落附近，并在高对比度图像结构中可见。它不能通过缩小光圈来修正。横向色差只能在后期处理软件中进行修正。图4：倾斜波长沿同一焦平面聚焦在不同位置。校正色差 尽管色差难以校正且通常无法完全消除，但许多镜头解决方案可以实现更高质量的校正。
消色差镜头
消色差校正适用于可见光谱两端（红色和蓝色）的波长。例如，消色差镜头包含一个凸冕牌玻璃元件（折射率较低）和一个凹火石玻璃元件（折射率较高）。这种组合形成了所谓的“消色差双合透镜”，可以减少色差的影响。在复杂的光学系统中，这些元件通常与超低色散玻璃（ED玻璃）结合使用。
复消色差镜头
复消色差校正旨在将三种波长（通常是红色、绿色和蓝色）聚焦在同一平面上。三种类型的玻璃元件，如火石、冕牌、石英等，结合在一起以创建“复消色差三合透镜”。不幸的是，结合三个元件可能非常昂贵，并在生产过程中导致其他镜头问题。与消色差镜头一样，ED玻璃的组合也可用于更复杂的系统。
初级和次级光谱色差
未经任何校正的镜头被称为色差镜头，并将显示初级光谱色差。换句话说，光谱的两端，即红色和蓝色波长，将聚焦在不同的位置。
当使用消色差镜头设计时，红色和蓝色光谱将聚焦在水平轴上的同一点，但绿色波长将继续聚焦在不同的点。这个问题被称为次级光谱色差，并将在图像中呈现洋红色和绿色伪影，而不是红色和蓝色伪影。
图5：次级光谱纵向（左）和次级光谱横向（右）色差的插图。
纵向和横向色差都会产生次级光谱色差。摄影师在图像中遇到的主要是横向次级色差。因此，在高对比度细节的边缘，尤其是在图像的角落，会出现洋红色和绿色。
图6：倾斜波长沿同一焦平面聚焦在不同位置。
结论
色差是由光的色散引起的。色散是将可见光分离成其不同波长的过程。当这种现象发生时，图像中极亮或极暗部分的边缘会出现彩色条纹。这些颜色通常对相机的整体图像质量产生破坏性影响。
色差通常不可能从镜头中完全消除，但可以将其控制在最低限度。为了保持低水平，我们建议测试各种镜头解决方案（例如，消色差或复消色差镜头），然后为您的相机系统实施最佳解决方案。