bullet

鏡頭設計者所面臨的難題

       在上一單元中，我們提到以鏡片取代針孔來集中更多的光線，加快顯影速度的技巧。在這一單元中，我們將分（上）（下）兩個單元來討論，如何將鏡片集結成鏡頭，鏡頭設計者又如何將各種鏡片所產生的正副作用結合，計算出一支完美成像的作品。

        由於光線是直線前進，要讓光產生折射效果有兩種方式，一是兩種不同介質的介面，例如：當光通過空氣，進入水或玻璃時，由於兩個透明介質的物性和密度不同，這些光束即會彎曲或折射。最明顯的例子，就是觀察一下湯匙半插放入一杯水中，你可以看到湯匙柄變成兩段的影像，這是因為反射自湯匙的光線，經過水和玻璃的折射，使得部分的湯匙柄變得扭曲。

        另一種折射的發生是光入射的角度，當光線在進入和穿過媒介時，與其表面互相垂直的光束將直線穿過。如果光線以斜角進入在通過媒介時，光線可折射到一個可以計算的角度。當光線穿過時，超過直角越多，它們折射的角度越大。

        因此，當鏡片的集光效應不符所需時，鏡片設計者開始思考，如何讓鏡片達到更好的集光效果。結果從光學物理實驗，他們發現當光貫穿一個有彎曲弧度的透明物體時；如透鏡，它會依照每一條光束進入和穿透透鏡表面的角度，以幾個不同的角度來進行折射。這樣的效果以凸透鏡最為明顯。因此，球面凸透鏡最早被拿來做為鏡頭的組成。

　

bullet

透鏡的問題

        理論上 ，透鏡雖然可以有效的集中光線，但卻也連帶的產生一些問題。理想化的完美鏡片至今尚未被 設計成功，主要的問題在於實際生產時，限於材料和條件因素，製造出來的光學鏡片並不能達到完全理想的狀態，多少存在偏差 ( Aberration )現象。一般球面鏡片的像差，可以分成下述的五種 ﹕ 

  1. 球面像差

    一個透鏡理論上應能夠聚焦於一點 (見上圖)，但實際上當不同高度之平行光線入射時，並不能真正匯集於一點 (見上圖黑色實線)，這個的差異量，稱為球面像差。球面像差將導致成像模糊無法辨認。而其最近端的對焦點與最遠端對焦點的這個距離（藍色箭頭），稱為 LSF，也就是最小包圍區。一般鏡頭設計者如要消除這種像差，可以收小鏡頭的光圈，大口徑的鏡頭則改用非球面鏡。

  2. 像場彎曲

    平面的景物在焦點成像時，透過彎曲鏡片將光線扭曲，造成像面不是平面，這種現像便叫做像面彎曲。也就是說，結下的影像，如果對焦在中間的話，則周邊不清楚，對焦在周邊則中間不清楚。這種像場彎曲，必須依靠修正鏡片的像散來改變整體的成像。

  3. 慧星像差 

    英文原名為 Coma aberration，意指透鏡的每一個圓環區域使相對透鏡的和透鏡光軸不同位置離軸之點所發出的光線聚焦形成偏斜光線。由於其成像結果，會形成如同慧星尾巴一樣的光班，因此得名。簡單的說，慧星像差是反應透鏡在偏離光折型態下的一種球面像差。

  4. 桶狀和枕狀形變

    平面的四方形測試圖在拍攝後，影像與原來的樣子不相同，便叫做影像形變。形變像差分為枕狀及桶狀兩種。發生的成因為離軸光束與中心軸形成的角度太大，會將方形的影像拉長成彎曲的枕形。反之當角度太小時，則會變成桶形。

  5. 像散

    在離光軸的某一點處結下點狀的影像時，相對於光軸的同心圓像面按放射狀方向分開的話，點不在點內，變成線狀或橢圓狀的結像，這種現象便叫做像散，一般鏡頭光圈大小不同對像散有一定影響。

各種像差示意圖

        這五種像差是針對單一波長的單色光線來對鏡片進行測試所產生的結果。如果是自然陽光或其他混合色光，則又會因為波長不同，鏡片折射率不一樣，引起色像差。色像差主要產生於凸面鏡的聚焦效果（見下圖），所幸這個問題可以透過凹面鏡加以分散修正。

bullet

 色像差

色像差，一般可分為兩種：

1. 光軸的色像差

        鏡片本身的材質影響進入鏡片的光線，並造成各種顏色的色光折射率不同，讓藍色光系在離焦點較近處成像，紅色系則在較遠處。

2. 倍率的色像差

       倍率色像差，發生在鏡片相互修正上，當凹面鏡補償了焦點位置的光軸色像差之後，整體產生的色光仍然不能一致。這是因為色光的波長不同，焦距亦不一樣，所以產生的影像的倍率便因顏色而異，影像的大小會產生色偏移。