数码单反相机的像差校正分析 |
| 2012-06-12 14:35 作者：周 博 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑：GuiGu 【搜索试试】
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摘要：介绍数码单反相机的基本结构，利用光学成像原理，分析相机成像过程中产生的各种像差，分别讨论单色像差和复色像差的校正原理和方法。
关键词：单反；像差；校正
中图分类号：TB82文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0410
【《硅谷》杂志2012年4月刊文】
0引言
随着人们对相机成像质量的要求越来越高，数码单反相机受到人们的广泛关注。数码单反相机的构造源于胶片单反相机。通过镜头收集光线以进行成像，这一原理是相同的。但将接受到的光线进行成像的过程则是数码相机独有，可以说更近似于摄像机的特性。数码单反相机的内部由机械部分和电子部分共同构成，制作十分精密。其中的主要结构有快门单元、反光镜、影像处理器、图像感应器、镜头[1-2]（可更换镜头）。
论文从应用光学基本原理和单反相机的结构出发，分析了相机成像质量和像差校正方法。
1基本结构
数码单反相机的基本构造由以下几个部分组成。1）快门单元：在图像感应器之前，拦截从镜头射入的光线，通过开关的时间长短调整图像感应器的受光量。位于反光镜的后方，在快门释放前反光镜将升起。2）反光镜：将通过镜头的光线进行反射，使之在取景器内进行成像。3）影像处理器：对图像感应器接收到的光数据进行计算，并将其转换为人眼可见的图像数据，是进行电脑处理的部分。功能相当于胶片相机进行冲印显影。可根据相机的指令对图像进行各种加工处理。4）图像感应器：相当于胶片相机所使用的胶片。由半导体集成的电子元件构成。在此处收集到的光线在图像感应器内被转换为电信号，变为生成图像数据所需的必要形式。5）镜头：收集被摄体所反射的光线，被收集的光线在图像感应器平面上进行成像。
2像差分析
镜头是用圆眼看世界的，光在照到被摄物体，然后反射到镜头里，镜头将光聚集到一个点上，在感光元件上成像。这时在感光元件上的成像上下左右都是颠倒的。而且会产生像差、色相差和反射这些都是就决定成像质量的重要因素。那么什么是像差，原本在穿过夹头在成像面上结像的理想效果是一点对点的形式成像的，其基础是和光轴垂直的平面上的被摄体通过镜头后，其结像位置正好在图像感应器平面上，没有偏差，且被摄物体本身与其透过镜头后的结像形状必须相似，可实际上达到这种要求几乎是不可能的。拍摄时会产生色晕，图像拉长变形甚至是歪曲现象，这就是像差。产生像差的根本原因是镜片表面是球面。设计镜头时都会考虑使用尽量控制像差影响的镜片结构和光学材料，但任何镜头都是无法避免像差的影响。根据像差的特性像差分为：球面像差、彗差、非点像差、像面歪曲、歪曲像差，统称“赛德尔五像差”。设计成像镜头时都会考虑使用尽量控制像差影响的镜片结构和光学材料，但任何镜头都是无法完全避免像差的影响。另外，除了以上单色像差，成像还会产生复色像差，它是由于光线的波长不同折射率也不一样，行成的色晕和颜色错位，也叫色相差。色相差主要分两类，一种是“轴向色相差”主要是出现色晕，尤其在远摄镜头中这一现象更加明显。另一种是“倍率色像差”主要是色彩错位，比较容易出现在图像周边部分。倍率色像差的产生与光线的入射角度有很大的关系，所以入射角度更大的广角镜头更容易受其影响。
3像差的校正
在非球面镜片的出现之前，人们通过使用具有不同折射率的光学镜片组合来补偿多种像差以得到更高质量的图像[3]。随着技术的进步高斯型镜头结构设计理念在很多镜头中的成功运用得以重现，其中比较有名的有三合透镜型、天塞型、高斯型、托卜岗航摄型。
三合透镜型：是拍摄用镜头基本的镜片结构，凸凹凸三镜片基本上是等距配置，这种机构可以将多种像差控制在较低的范围内。天塞型：和高斯型一样，天塞型也是对称型结构，其特点是透过3组4片的标志型镜片配置实现镜头小型化。缺点是结构上无法实现大光圈，但在研发的时候实现了非常锐利的成像。高斯型：光圈前后的镜片配置和形状基本是对称型结构，因此理论上此结构比较容易补偿各种像差，另外后焦距可设计得较长。托卜岗航摄型：此结构容易获得大视角，产生的歪曲像差和像面弯曲较少，但无法克服周边光亮降低这一问题。
非球面镜片是为了补偿多种像差而设计的制造的特殊镜片，它通过改变射入镜面的光线方向将像差控制在较低的水平。可以提高大光圈镜头的性能，还能使广角变焦镜头设计的更广。另外在变焦镜头的小型化等方面非球面镜片起到了很大的作用，可以说非球面镜片已经成为现在镜头结构中十分重要的部分。在此基础上人们又研发出“复合非球面镜片”，它是使用在镜头上的材料上形成紫外线硬化树脂皮膜使镜头片非球面化的技术[4]。可以对球面像差、彗差、歪曲像差的多种像差进行很好地补差。另外，在相机使用技巧方面：球面像差和彗星像差可以通过减小光圈来改善，而歪曲相差可以通过减小光圈去调控，由于景深关系而显得不明显。
对于复色像差，可以通过萤石等具有低折射率、低色散性的光学元件进行补偿。天然的萤石具有很的折射率和低色散性等优点，作为大幅度改善色相差的材料受到了人们的关注。可是天然萤石材料数量有限。在60年代研发出了萤石人工结晶技术。但是因其制作成本高，未到达推广和大范围使用兼顾的目的，70年代人们又研发出了UD（超低色散）镜片，让更多的镜头可以更好的补偿色相差。两片UD（超低色散）镜片可以达到约一片萤石镜片的效果。现在超远摄镜头及多种变焦镜头、广角镜头中都有广泛地使用。到了90年代UD（超低色散）镜片的性能得到了很大的提高，具有和萤石几乎相同效果，大大降低了镜头的生产成本。
DO多层衍射光学元件，是利用反射光学镜片与折射光学镜片色像差正好相反的性质，研发的一种层叠结构的光学元件。一般情况下色相差通常需要通过多镜片来抵消，造成镜头本身体积过大。衍射光学元件是在玻璃片表面精密制成的微米级衍射光栅，将这种光学元件应用于镜头中，在大量减少镜片的使用数量的基础上，几乎抵消了全部折射产生的色相差，提高了光线的使用率，使得镜头成像质量达到了高级镜头的水准上，可实现小型化。
光线射入和射出镜片时会有约5%的光线发生反射，摄像镜头中的镜片表面有内表面和外表面之分，因此每一片镜片会有大约10%的光发生反射。另外实际拍摄镜头由很多镜片构成，反射越多能达到图像感应元件上的光线越少。镜头的最大光圈再大也没有用。而且在镜片内表面间反复发生反射的话，会出现眩光和鬼影，影响了画质，有时候甚至是致命的破坏。眩光主要是镜片后方的光反射到镜片外表面成像，鬼影则是在镜片内部反射的光在外表面在再次发生反射。为了抑制镜片表面的光线反射，增加到到图像感应元件的光量，需要对个镜片表面施以镀膜。所谓镀膜就是在镜片表面均匀地篜镀一层薄膜的技术，通过实施镀膜可很大程度地抑制光线反射的影响，拍出鲜明通透的照片。镀膜根据不同镜片的反射率分别使用不同种类的多层镀膜技术。所谓的多层镀膜就是单层镀膜叠加技术，它有效的抑制多种不同波长的光反射。现在已发展到超过10层的多层镀膜技术，光的通过率到达了约为99.9%另外为了抑制因不同玻璃材料带来的镜片色彩再现性的差异，对镜片施以琥珀色、洋红色、紫色、蓝色等单层镀膜。是镜片实现了忠实的色彩还原。SWC亚长波结构镀膜这是一种采用全新原理以减少光线反射的新镀膜技术，镜头表面产生光线反射现象，是由于镜片玻璃和空气边界处折射率放生突然改变引起。反射会造成眩光和鬼影，影响图像质量。为了抑制光线的反射，空气和玻璃之间的折射率应该逐渐减小。SWC亚长波结构镀膜在镜头表面形成一个个小于可见光波长的楔形显微结构，这种结构能够持续改变折射率，从而消除折射率会突然改变的边界，实现比蒸汽镀膜更理想的抑制反射效果，且与蒸汽镀膜不同，即使光线入射角很大，其反射效果依然出色。
4总结
综上所述，数码单反相机镜头在成像过程中起到了关键作用。分析了系统成像过程中形成的单色像差和复色像差等对实际成像效果的影响，并从镜片的材料特性和光学特性等方面讨论了补偿像差的方法，来获得最佳的成像效果。
参考文献：
[1]李定川，数码单反相机的成像原理，摄影技术，2007，2：29-33.
[2]宏征，自动对焦单反相机的应用，照相机，1994，5：38-39.
[3]邱国培，标准镜头的光学设计，光学技术，1991，5：79-81.
[4]勾志勇、王江、王楚等，非球面光学设计技术综述，2006，3：1-2.（注：本文版权归作者本人和硅谷杂志所有，禁止他人未经授权转载） |
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