所謂像差就是感光元件還原成像時出現的偏差,主要就是球差、色差、慧差、像散、場曲和畸變,之前聊過的球差、色差和場曲,剩下的和其他會形成負面影響的就懶得一個個專門開貼了,就一口氣把它們簡單地說完吧。
慧差Coma這個詞源自彗星彗發,的確很形象,因為它看起來就像是一個彗星掃過一樣,與正常的點光源相比有如下區別:
可以看到有圖中比較明亮的幾個點光源都帶上了明顯的「小尾巴」,在天文望遠鏡裡是比較常見的一種像差,由偏軸入射光線所導致。切向慧差的算法是3θ/16F,θ是光線與鏡頭光軸的切角,F為焦比(望遠鏡術語,含義為焦距/口徑,在相機領域基本等同於光圈),所以在鏡頭結構一定的情況下,慧差強度受光圈影響,收縮光圈可以改善這個問題。它的成型示意圖如下:
從圖上不難看出,慧差是越靠近畫面邊緣越明顯。牛頓式反射望遠鏡裡有慧差校正鏡可選,但價格並不便宜(比如TeleVue Paracorr系列就近4000),但校正效果很好(如下圖),實際上它貴主要因為產量小,並不因為它的結構難度有多大。對於攝影而言慧差主要影響星空等天文主題,而且廣角攝影鏡頭的慧差不會像天文望遠鏡那麼誇張,大多就比下圖右側稍稍再多一點點,攝影鏡頭也沒有更多的外置解決方案,對此要求很高的話就只能儘量選擇高品質(價位)的廣角鏡頭了,除此之外日常使用時邊緣成像不實也有慧差的部分原因在裡面。
鏡頭畸變是個比較複雜的話題,但慶幸我們處於一個機身校正實力很強的時代,而且像PS、LR等後期軟體也都有絕大多數市售鏡頭的畸變校正數據,因此也就是拍攝對畸變要求很低的照片時使用RAW格式,再到電腦上點一下滑鼠就能解決的問題,鏡頭畸變主要是桶形、枕形和翹鬍子三種:
桶形畸變主要見於鏡頭的廣角端,注意是廣角端,而不是廣角鏡頭專屬。像70-300mm這種鏡頭的70mm端不少是桶形,而24-70mm的70mm端大多是枕形,這一點別混淆了。
枕形畸變如上圖,主要出現在鏡頭的長焦端。如果是定焦鏡頭,大多50mm以內的廣角鏡頭是桶形,往上就是枕形。但這並不絕對,有時候甚至會根據對焦距離不同而不同,比如佳能50mm F1.4在正常情況下是枕形畸變,但在近距離拍攝的情況下又會變成桶形。
翹鬍子畸變是一種翻譯方式,實質上就是桶形和枕形混雜,有時候甚至比這張示例圖還要更複雜和誇張,低端以及小廠鏡頭往往會有這個問題,尤其是小廠產品需要注意,因為無論機身還是後期軟體大多都沒有校正數據,需要自己做,上手難度很高。
有個現象很容易與畸變混淆,那就是透視變形,以同樣的主體構圖比例拍攝照片,比如人像攝影,越是廣角也就意味著距離越近,人臉的立體感會明顯更強,而越是長焦距離越遠,人臉會顯得更扁平化。除此之外舉起相機拍攝建築物的時候也很容易把房子拍成遠小近大的樣子,但那不是畸變,而是透視變形,也是為什麼建築或室內設計攝影需要使用移軸鏡頭偏移功能的一個重要原因,原理如下:
拍攝建築物時,鏡頭朝上,就會因為透視變形而拍出如右邊的效果,而想要橫平豎直的話,就得把相機水平放置,但此時得到的會是這個樣子:
雖然平豎是有保證了,但沒辦法把整幢建築物給拍全,這時候需要請出移軸鏡頭,這種鏡頭成像圈較大,部分甚至可以覆蓋中畫幅,所以支持鏡頭光軸產生一定程度偏移卻不影響最終成像,可參考下圖:
注意相機鏡頭位置,可以看到在偏移之後一舉解決了透視變形和無法拍全的兩個根本問題,這就是移軸功能的特別之處。
像散屬於像場越大越明顯的一種像差,我們知道理想光學成像系統的點光源描述都是在鏡頭光軸上,但現實裡的光學成像不可能這麼理想,當發光點不處於光軸上時,如下圖:
發光點P並不位於光軸Q上,藍色子午方向入射光經鏡頭成像後結像於S1點,而紅色弧矢方向入射光則結像於T1點,而T1到Q1之間就是像散。呈現在成像上的效果如下:
可以看到星點都成為了一個個的+型體,車身反光也被拉長,這就是像散的基本體現。越靠近成像邊緣像散就越明顯,廣角鏡頭在拍攝星空等點光源時很容易遇到這個問題,收縮光圈可以緩解。
其實說到像散慧差和以前講過的球差,在光學設計上有一個共通的解決方案——齊明透鏡。其背後理論是阿貝正弦條件,簡單來說:物體位於符合其條件的齊明點位置時可呈現無球差、像散和慧差的成像,以此為依據製造的齊明透鏡主要用於顯微鏡上。但因為只有在近軸且小孔徑小像場的情況下才有最佳效果,所以未來可能也比較難於出現在攝影系統當中。
除了像散慧差,再說說別的吧,比如眩光。通常眩光與鬼影會同時提及,如果有經常關注產品詳情介紹的話,你會發現各家都會用鍍膜技術來解決這個問題,因為事實上眩光和鬼影都是因為強光入射時造成的內部鏡片光反射,換句話說就是鏡頭結構越複雜,就越容易出現這個問題,而攝影鏡頭的鍍膜最大用途就是提升可見光波段的通過率,降低反射率:
這是一片採用了350-700nm波長反折射鍍膜的無鉛硼矽酸鹽玻璃鏡片性能示意圖,縱軸為反射率,橫軸為波長。但大家也應該能意識到,即便是鍍膜的加持,甚至可以說不論吹得多強悍的鍍膜,也並不能讓反射率降低為0,尤其是對偏軸斜射光線。在入射光線這個被乘數非常大,也就是亮度很高的情況下,鬼影和眩光依然會出現。完全解決的方案目前基本沒有,但緩解辦法就簡單了——給鏡頭戴上遮光罩。
左右兩條灰色線條所包含的是鏡頭視野,成像並不需要的左側陽光斜射則加劇了內部眩光的產生,而遮光罩的主要用途之一就是遮擋這部分幹擾光線,從而降低眩光鬼影的產生。在不改變構圖、機位和光線來源方向的情況下,收縮光圈等相機設置不能改善眩光鬼影問題(還會讓這些眩光更銳利)。不過跟虛化效果一樣,有些人就是喜歡眩光鬼影的效果,甚至會在後期刻意加上,這就是典型的主觀審美差別了……
與之類似的還有暗角,暗角甚至是很多美圖APP濾鏡的必備格調神器了,事實上我們常見的暗角是光學暗角,光圈越大暗角越大,這主要是受鏡筒直徑所影響,想了想純粹用文字不好解釋,也不想畫圖了,乾脆就隨便抓個東西來非常粗鄙的實拍演示吧……
把你的目光想像成入射光線,當小胖手裡的這個「鏡頭」開啟大光圈時,你會發現視野邊緣的入射光被「鏡頭」邊緣給擋住了,看不到整個光圈,這部分光線自然也就被攔在了外面,形成了邊緣的暗角,也形成了焦外的口徑蝕。
而「光圈」收小之後,即便依然是邊緣的斜入射光線,也依然能看到整個「光圈」,所有光線均能用於成像,暗角得到改善。圖是隨手拍的,略醜略隨意也跟鏡頭結構完全不一樣,但大家明白個意思就行……除此之外對於超廣鏡頭來說,邊緣光線的光程也明顯更長,比如下圖是一張魚眼鏡頭的光程示意圖,紅色線條為畫面中心光程,深綠色線條為邊緣光程,差別很明顯吧,也有根據照度定律,邊緣入射光線的成像亮度會隨入射角的變化而變化的原因,不過具體說起來這個東西會非常複雜,大家只要知道光程越長,成像亮度越低,於是形成暗角這個道理就行。
除此之外也還有一些結構上造成的暗角,比如不匹配的遮光罩,過厚的濾鏡框等等……也有「像素暗角」的說法,這是因為CMOS是一塊二維平面,所有像素都面向同一個方向,但入射光線越靠近邊緣就越是斜射到CMOS上,雖然這個偏角並不大,但也足以帶來一定程度的暗角,不過拍攝JPEG時機內會自動補償像素暗角。事實上所有的暗角校正其實都是在吃CMOS動態範圍,對於像佳能5D3、6D2等動態範圍偏低的機身在拍攝廣角照片時還是儘量縮小光圈吧,但相信大家大多數時候也確實是這樣做的。
不知不覺寫了這麼多,也是想到哪說到哪,若有疏漏或錯誤敬請列位光學手藝人明確指出,預先感謝大神的批評與鼓勵啦,謝謝。