像差是怎么来的？我们拍照时为何又几乎感受不到？

一支镜头，哪怕每一片玻璃都磨得完-美无缺、装配分毫不差，拍出来的照片仍然不可能和实物一模一样。颜色会串、边缘会虚、直线会弯。这些偏差有个统一的名字：像差。

有意思的是，像差不是做工问题。它来自成像本身的数学结构——只要用球面玻璃去弯折光线，就一定会有。这篇文章讲的是：像差从哪来，长什么样，以及工程师是怎么跟它周旋的。

先说个直觉：光学设计里有个「近轴」的假设，认为光线都贴着光轴、张角很小。在这个假设下，成像完-美。可一旦视场变大、孔径变大，这个假设就不成立了——像差由此而生。所以大光圈、广角镜头格外难做，它们离那个舒适的假设最远。

一、球差：边缘光线太「急」了

最-简-单的像差是球差。一片普通的凸透镜，让一束平行光通过，本该汇聚成一个点——但实际上，靠近边缘的光线偏折得更厉害，交点比中心光线更靠前。

于是在任何一个位置上，都得不到一个真正的点：焦点之前是一个逐渐收拢的锥，焦点之后又散开，中间某处有一个最小弥散圆，那里最清楚，但依然是个圆斑不是点。

图1：边缘光线与中心光线，焦不到一处

对照片的影响是整体发软、发灰，像蒙了一层薄雾。高反差的边界尤其明显。

球面为什么还会这样？因为球面最容易加工——磨盘和工件天然贴合，成本最-低。代价就是球差。想从根上改掉，得用非球面：让边缘的曲率单独设计。但这东西难磨也难测，贵得多。

还有两条路：一是收光圈，把边缘光线挡掉，球差随之变小；二是用正负镜片组合，让一片的球差抵消另一片的。镜头里那七八片、十几片玻璃，很大程度上就是在干这件事。

球差对孔径极其敏感：纵向球差大致与孔径的平方成正比，横向的弥散圆则与孔径的立方相关。把光圈开大一档，球差就翻着跟头往上涨——这就是为什么绝大多数镜头全开光圈时都偏软，缩一档立刻精神起来。

顺带说个摄影圈熟悉的现象：焦外的光斑长什么样，很大程度上由球差的残余量决定。球差过校正时，焦外光斑边缘亮、中心淡，还容易形成一圈一圈的「洋葱圈」；欠校正则相反。所以焦外好不好看，其实也是像差的一种表情。

二、色差：颜色各有各的焦点

上一类与颜色无关，这一类恰恰来自颜色。玻璃对不同波长的光折射率不同——蓝光折射率高，走得慢、偏得多；红光折射率低，偏得少。于是不同颜色的光，焦点前后错开。

把像面对准绿光，红光和蓝光就已经散开了，画面上表现为高反差处出现彩边。

图2：位置色差与倍率色差

这叫位置色差（也叫纵向色差）。它的经典解法是消色差双胶合：用一片低色散的冕牌玻璃做正透镜，一片高色散的火石玻璃做负透镜，胶在一起。正片负责会聚，负片负责把色散拉回来，红蓝焦点就此重合。

这里有个关键参数叫阿贝数（也称 V 数），它衡量材料的色散强弱：阿贝数越大，色散越弱，价格通常也越贵。消色差的条件，本质上是让两片玻璃的光焦度与阿贝数按一定比例搭配，使两种波长（通常选红和蓝）的焦点落到同一处。

能把红绿蓝三种波长都校正到位的，叫复消色差。这要靠低色散玻璃，甚至特殊材料，成本陡增——所以「APO」这个标记在镜头上从来都是卖点。

还有一种是倍率色差（横向色差）：不同颜色的放大率不一样，同一个点到了画面边缘，红像比蓝像大一点，于是边缘泛出紫边。这个更难缠——收缩光圈对它基本无效，得靠整组镜片的光焦度分布和对称设计去压。

三、离开画面中心，麻烦就多了

前面两类在画面正中也会出现。而一旦离开中心，还会多出三种单色像差。

图3：彗差、像散与场曲

彗差：一个点光源的像不再是点，而是拖出一条尾巴，像小彗星。原因是光束斜着通过镜片时，上下两侧的光线不再对称。

像散：离轴光束在两个互相垂直的方向上焦距不同——子午方向和弧矢方向各有一个焦面。两者之间是最小弥散圆。结果是某个方向清楚、另一个方向发虚，怎么调焦都齐不了。

场曲：像面本身是弯的。把平面探测器（或胶片）放上去，中心清楚了边缘就虚，反之亦然。这不是对焦问题，是像面形状的问题。

这四种加上后面要讲的畸变，合称五种单色像差；它们与色差一起，习惯上被归为塞德尔像差——可以看作近轴理论的一阶修正项。每一项各有一个系数，合起来构成著名的赛德尔和式，是光学设计里最基础的账本。

之所以叫「单色」，是因为它们与波长无关，哪怕用绝对纯的单色光照明，这些像差照样存在。这一点常被误解——很多人以为用了激光就没有像差了，其实只是没了色差。

再往下还有更高级的像差，量更小但更难算，通常交给计算机去追。

四、六种像差一览

把它们的成因、表现和应对办法列在一起，是这样的：

图4：六种像差与改善办法

还有第七种——畸变。它不制造模糊，只让形状走样：桶形往外鼓，枕形往里凹。

五、畸变：清楚，但形状不对

畸变的特殊之处在于，它不破坏清晰度。画面上每一点都可能是清晰的，只是放大率随视场变了，于是直线变弯。

图5：三种畸变形态

习惯上用百分比表示畸变量：正负百分之几。一两个百分点在风景照里几乎看不出，但在翻拍文件、拍建筑、或者用镜头做测量时，就必须较真了——这时往往要用到专门的低畸变镜头，或者干脆做标定之后用算法逐点修正。

为什么会鼓或凹？根源在于光圈位置：孔径光阑在镜片组之前还是之后，会改变轴外光束通过镜片的位置，从而改变那一带的放大率。广角镜头的孔径往往偏后，长焦偏前，于是就有了各自典型的畸变倾向。

它同样不受光圈影响——收光圈对畸变完-全无效，因为畸变取决于主光线的走向，而不是光束的粗细。要压它，得靠光学结构上的对称：前后两组大致镜像，畸变就能抵消大半。代价是体积和重量都上去了。

现在更省事的做法是：留着畸变，交给机身或软件去掰回来。这比堆玻璃便宜得多，效果也够好。

六、压住像差的几条路

总结一下，工程师手里的办法其实就那么几类：

换材料：用低色散玻璃压色差；

改形状：非球面一片顶好几片球面；

调结构：正负搭配、前后对称，让像差互相抵消；

收光圈：拦掉边缘光线，多种像差一起变小。

图6：压住像差的几条路

这里有个绕不开的权衡：收光圈能压像差，但光圈越小，衍射越明显——前面聊衍射极限-时说过，孔径一小，艾里斑就变大，清晰度反而下降。一边是像差随光圈收缩而减小，一边是衍射随光圈收缩而增强，两条曲线一叠加，就出现了所谓最佳光圈，通常落在最大光圈收缩两三档的位置。老手说的「缩两档最锐」，道理就在这。

实际的镜头是这几条路一起走。而且现代设计还多了一样武-器——计算机。几十个变量同时优化，靠人力早就算不过来了。

怎么判断一支镜头校正得好不好？业内的通用语言是调制传递函数（MTF）：给镜头看一组不同疏密的黑白条纹，看它还能保留多少对比度。线对越密、保留的对比度越高，说明像差压得越干净。一张 MTF 曲线，基本就把这支镜头的底细交代清楚了。

但要说清楚一件事：像差只能压，不能消灭。压掉这一项，那一项常常又冒出来。所谓好镜头，不是没有像差，而是把残留的部分分配在了人眼最不在意的地方。

这也是为什么「锐」和「好看」不总是一回事。有些残留的像差（比如柔和的焦外、轻微的边缘衰减），反倒讨人喜欢。

七、总结

像差这件事，根源就一句话：近轴成像才是理想的，而真实的光学系统不可能只走近轴光线。视场一大、孔径一大，偏差就来了。

像差分两类——单色的（球差、彗差、像散、场曲、畸变）和彩色的（位置色差、倍率色差）；

收缩光圈能压掉大部分，却管不了畸变与倍率色差；

而正因为它只能压不能消灭，好镜头的本事在于把残留的部分放在人眼不在意的地方。

下次看一张照片，如果边缘的直线有点弯、高光旁边泛着紫边、焦点之外的光斑不是圆而是一圈一圈的，那都是像差留下的痕迹。它们不是毛病，而是这枚镜头在物理规律允许的范围里，做出的取舍。