Chromatic Aberration in Camera Testing

色差

色差 | 简介镜头的设计旨在使经过镜头折射的光线汇聚于一个焦点。然而，光线包含各种波长，其折射程度各不相同。因此，不同波长的光线（例如红、蓝、绿光）可能无法汇聚于同一点。当这种情况发生时，图像中非常亮或非常暗的区域边缘会出现色边，从而影响图像质量。色差的背景色差是由光的色散引起的，使用棱镜（在本例中为镜头）可以最直观地演示这一现象。色散是指可见光被分解为不同波长的现象。光线从一种介质进入另一种介质时，会在介质界面处发生折射或偏转。图 1：光线穿过棱镜时，在进入和离开时都会发生偏转。与绿色和红色光线相比，蓝色光线的折射程度更强。图1显示了蓝色光线的折射程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。波长较短（蓝色）的光线偏转程度大于波长较长（红色）的光线，而光学密度较高的材料所折射的光线偏转程度大于光学密度较低的材料。折射率描述了光学密度。以下是几种光学密度的示例：真空 – 1.000 空气 – 1.0003 水 – 1.3333 冕玻璃 – 1.52 高密度燧石玻璃 – 1.66 钻石 – 2.417 穿过透镜的光与穿过上述任何一种材料的光并无二致。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，镜头应通过将不同波长的光线聚焦在同一点上，来抵消这些波长之间的色散。然而，从技术上讲，这种透镜并不以单片透镜的形式存在，因此透镜的色散会导致色差。换言之，多种颜色的光在穿过透镜时会以不同的速度传播。这种色散通常会导致图像边缘出现彩色光晕（红色、黄色、绿色、蓝色、品红色等），尤其是在高对比度场景中，物体周围更为明显。为了补偿色散，光学系统由多个凸透镜和凹透镜组成，并采用色散程度各异的不同玻璃材质制成。能够校正两种波长色散的透镜称为消色差透镜。能够校正三种波长色散的透镜称为超消色差透镜。图2：一个并不存在的理想单透镜，它能将不同波长的光线聚焦到传感器内的同一点上。色差的类型色差主要有两种类型：纵向（轴向）色差和横向（横轴）色差。纵向（轴向）色差当不同波长从镜头沿水平光轴在不同点处发生色散时，就会产生纵向色差（图3）。沿光轴散射的波长被称为“模糊圈”，即使在图像中心也会导致意外的色边。减少纵向色差的主要策略之一是缩小光圈，因为光圈决定了入射光的量。图3：绿色光在成像平面上聚焦清晰，而红色和蓝色光在成像平面上则未聚焦清晰。横向（横向）色差当不同波长的光以一定角度进入镜头，随后在同一焦平面上聚焦于不同位置时，就会产生横向色差。与纵向色差相比，横向色差仅在画面边缘处产生，并在高对比度的图像结构中才变得明显。它无法通过缩小光圈来纠正。横向色差只能通过后期处理软件进行修正。图4：以不同角度入射的波长在同一焦平面上聚焦于不同位置。校正色差尽管色差难以校正，且往往无法完全消除，但许多镜头解决方案都能实现更高质量的校正。消色差镜片消色差校正适用于可见光谱两端的波长（红色和蓝色）。例如，消色差透镜包含一个凸面冕玻璃镜片（折射率较低）和一个凹面燧石玻璃镜片（折射率较高）。这种组合形成了所谓的“消色差双片透镜”，可以减少色差的影响。在复杂的光学系统中，这些镜片通常会与超低色散玻璃（ED玻璃）结合使用。消色差透镜消色差校正旨在将三种波长（通常为红、绿、蓝）聚焦在同一平面上。通过组合三种玻璃镜片（如燧石玻璃、冕玻璃、石英等），可构成“消色差三片式透镜”。遗憾的是，组合三种镜片成本极高，且在生产过程中可能引发其他镜头问题。与消色差透镜类似，在更复杂的系统中也可采用与ED玻璃的组合方案。主光谱和次光谱色差未经任何矫正的透镜被称为色差透镜，会表现出主光谱色差。换言之，光谱的两端——即红光和蓝光波长——的聚焦位置会不同。采用消色差透镜设计时，红光和蓝光会在水平轴上聚焦于同一位置，但绿光波长仍会聚焦在另一个点上。这一问题被称为次级光谱色差，会在图像中呈现洋红色和绿色的伪像，而非红蓝伪像。图5：次级光谱纵向（左）和次级光谱横向（右）色差的示意图。纵向和横向色差都会产生次级光谱色差。摄影师在拍摄中主要会遇到横向二次色差。因此，在高对比度细节的边缘，尤其是图像的角落处，会出现洋红色和绿色的色边。图6：沿同一焦平面聚焦于不同位置的倾斜波长。结论光的色散会导致色差。色散是指可见光被分离成不同波长的现象。当这种现象发生时，图像边缘的极亮或极暗区域会出现色边。这些颜色往往会对相机的整体图像质量造成负面影响。虽然通常无法完全消除镜头中的色差，但可以将其控制在最低水平。为了降低色差，我们建议测试各种镜头解决方案（例如消色差或超消色差镜头），然后为您的相机系统采用最佳方案。

简介

镜头的设计原理是让经过镜头折射的光线汇聚于一个焦点。然而，光线包含多种波长，它们的折射程度各不相同。因此，不同波长的光线（例如红、蓝、绿光）可能无法汇聚在同一个焦点上。当这种情况发生时，图像中非常亮或非常暗部分的边缘会出现Color边，从而影响图像质量。

色差的成因

色差是由光的色散引起的，这可以通过棱镜（在本例中为镜头）来最好地演示。色散是指可见光被分离成不同波长的过程。光线从一种介质进入另一种介质时，会在介质界面处发生折射或偏转。

图1：光线穿过棱镜时，在进入和离开时都会发生偏折。与绿色和红色光线相比，蓝色光线的折射程度更强。

图1显示了蓝色光线的折射程度比绿色和红色光线更强。折射强度取决于波长以及光线穿过的棱镜的光学密度。波长较短（蓝色）的光线偏折程度大于波长较长（红色）的光线，光学密度较高的材料比光学密度较低的材料使光线偏折得更厉害。折射率描述了光学密度。

光学密度的几个例子：

真空 – 1.000
空气 – 1.0003
水 – 1.3333
冕玻璃 – 1.52
高折射率燧石玻璃 – 1.66
金刚石 – 2.417

光线穿过透镜的过程与穿过上述任何一种材料并无二致。透镜的焦距取决于折射率，因为不同波长的光线在穿过透镜进入传感器时，会聚焦在不同的位置。

理想情况下，镜头应将不同波长的光聚焦在同一点上，以抵消各种波长的色散。然而，从技术上讲，这种能够完全消除色散的“单一镜头”并不存在，因此镜头的色散会导致色差。换言之，多种颜色的光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边缘出现彩色光晕（红色、黄色、绿色、蓝色、品红色等），尤其是在高对比度场景中，物体周围更为明显。

为了补偿这种色散，光学系统由多个凸透镜和凹透镜组成，并采用色散系数各异的玻璃材质制成。能够校正两种波长色散的镜头称为消色差镜头；能够校正三种波长色散的镜头则称为超消色差镜头。