浅谈“紫边问题”

“蓝紫光对人眼刺激作用不同导致看到的是蓝色而非紫色”，蓝光，看上去就是蓝光；紫光，看上去就是紫光；蓝紫光对人眼的刺激作用有别，蓝光强紫光弱，等量蓝紫光混合，人眼看上去偏蓝。

那么相机拍照后，我们想象当然是希望照片跟实景的色度信息一致，至少呈比例，这样，照片不会出现蓝紫问题，也就无所谓相机记录信息偏蓝还是偏紫的问题。但实际上，相机的传感器CCD/CMOS也是对蓝光更敏感的，它“看”蓝紫色跟我们人眼看是类似的，见下面几幅图（CCD和CMOS响应曲线形状差不多，就峰值不同而已）。既然这样，人眼看不会出问题，相机看咋反而出了问题呢？

See：

http://www.lpi.usra.edu/education/fieldtrips/2005/activities/ir_spectrum/

http://www.looptechnology.com/ccd-sensor-cameras.asp

http://www.looptechnology.com/cmos-sensor-cameras.asp

 实际上对相机而言，有可能出现的是“紫边”现象，玩单反追求完美的人可能会注意到。“紫边”也就是色差，理论上色散在影像中央及边缘都可以发生，不过由于边缘的光程较长，因此色散也就特别明显。由于短波长的折射率较高，因此紫色对色差也特别敏感。由色差而形成的紫边，通常可以在画面边缘看到，而由于紫色折射得较多，所以紫边一般都是由内向外扩散。此外，远摄镜头的光程长，色散的现像也就特别容易看到。如果你所说的“相机拍照也偏蓝”是整张泛蓝，而不是我这里说的“紫边”，那应该是相机传感器或者图像处理算法的问题吧，因为ccd/cmos传感器对不同色光具有不同的动态范围和灵敏度，我们倒霉地被卖给了一个没校正到位的传感器吧，或者倒霉遇到个算法没把这个色差以及人眼与传感器的差别校正回来。我的Google Nexus S手机拍出来也是整体偏蓝的。

紫边现象：

但是实际呢？NO，nobody is perfect, nothing is perfect as well. 玩单反的人都应该注意到所谓的“紫边”现象，下面这幅图就是糟糕的紫边现象，请看：

简单地说，紫边现象就是物体边缘出现紫色模糊带，乍一看，还以为是自己手抖。

更确切地说，数码相机的紫边是指数码相机在拍摄取过程中由于被摄物体反差较大，在高光与低光部位交界处出现的色斑的现象即为数码相机的紫色（或其它颜色）。

紫边出现的原因与相机镜头的色散、ccd成像面积过小（成像单元密度大）、相机内部的信号处理算法等有关。我理解得不多，主要说色散吧，其他两个再说吧。 

色散： 

先说“色散”“色差”这些东东，色散就是把混合光束分成单色光束，如棱镜把白光分成彩虹色，色差就是色散的结果，是从成像方面来说的，即白色物点成像为彩色像斑。相机透镜对自然光（白光）成像，同样道理，由于不同波长折射率不同，色散造成色差/像差。锁定探究像差，有位置色差和放大色差。

轴向色散：

很简单，看图说话：

图说：一个物点发出白光穿过透镜成像为一串像点，紫点在内，红点在外。所以这就悲剧了，白色物点成像过后是彩色的，好像眼花了。显然光学不希望这么悲催，就想了些办法：

在透镜的成像中存在一点（就相当于一串焦点的复合焦点啦），被称作最小模糊圆，在那里色差可以被降低到最小。这个办法还不够，还要采用消色差透镜，消色差透镜是用不同折射率和色散的材料组合构成的复合透镜，最常见的是双合透镜。此外，多种类型的玻璃制造都基于了降低色差的考虑，其中最著名的例子是含有萤石成分的玻璃被广泛应用在镜头中。这种混合型的玻璃具有非常低的光学色散特性，仅采用两块这种玻璃组成的复合透镜就可以达到很高的消色差效果。至于这些消色散技术究竟有多重要，呐，搞个单反，对比一下五千和一万的镜头，或许能明白一点。

还没完，上面只是说了近轴光线，还没说远轴区。因为我们普通拍照又不是只拍一个点，而是拍一个面，远轴去的色散又如何？图3-5所示为近轴区的情形。如果从P点发出的与光轴成有限角度（非近轴区）的白光，它也产生色差。对于这条实际白光，其F光和C光经光学系统折射后与光轴的交点，因各自的球差而不能与近轴光的像点S′F与S′C相重合，两色光的球差不等，其位置色差也与近轴光的位置色差不同。可见，位置色差的大小是随孔径角（或入射高度）的不同而有所改变。光学系统（包括摄影镜头）一般只能对光束中某一入射高度光线校正色差，这就是我们最常见的啦。

这里说到“球差”是默认透镜是球面的情形，那既然你是球面带来球差，我显然可以考虑非球面来消除球差啊（这里我不太确定我对“球差”的理解是正确的，先这么理解吧，望懂光学的指正）。结果，佳能就是这么干的。呐，看一个牛逼的镜头（报价四万多大洋啊），参数这么标注：Canon EF 400mm f/4 DO IS USM，其中的DO指Multi- Layer Diffractive Optical Element 多层衍射光学镜片，它同时具有萤石和非球面镜片的特性，能有效抑制色散和校正球面以及其他像差，目前主要用在长焦镜头领域。（普通透镜都是球面镜，因为好磨，非球面镜不好磨，磨出来成本就上去了，现在的非球面镜主要是在球面上镀膜镀出的，技术就在控制镀膜厚度）。然后献上一副镜头剖面图吧，可以看到里面的各种消色技巧：

see:  http://www.chrysis.net/photo/canon/lens/lens.htm

横向色差：

看起来好像完了，都搞定了？NO，还有放大色差（或称倍率色差）呢？肿么回事？看图说话：

放大色差与光阑位置有关，所以有两幅图：左图为光阑在透镜前，右图光阑在透镜后。

光阑，是光闸门的文艺说法，控制光的流通量的，在相机里面，N片光阑片就组成了光圈。之前我不理解为什么光圈可以控制景深（小光圈景深大，大光圈景深小，如下图），看了这两幅图我才明白，原来是色散在搞鬼：小光圈控制光线为近轴光，造成的色差小，因此可以容忍更深的景深；而大光圈，光束宽，远轴光线造成的色差大，为了控制色散保持清晰度，可选择的景深就被束缚住了。

倍率色差严重时，物体的像有彩色边缘，即各种色光的轴外点不重合。因此，倍率色差破坏轴外点的清晰度，造成白光像的模糊。大视场光学系统必须校正倍率色差。所以广角镜头、鱼眼镜头贵不是没道理的，就是因为事儿多！

那么如何校正放大色差？前文讲过的，用双合透镜：一凹一凸，一个制造色散，一个消色散。双合透镜组可同时校正位置色差和倍率色差。两个或多个若干薄透镜组，能同时校正倍率色差和位置色差的条件为：

（我都懒得看，别理它，只要知道满足一定条件，这个条件人能做出来，问题就能搞定。当然，从这里也可以延伸一下，买了个好镜头，千万别载跟头，一个跟头上式可能就不满足了，倒霉蛋就只有呼天抢地了。） 

消色差系统

能使两种不同颜色光有相同的成像位置的光学系统，称为消色差系统；倍率色差和位置色差同时得到校正的光学系统，称为稳定消色差系统；对某三种颜色的光校正色差的光学系统称为复消色差系统；对四种颜色的光校正色差的光学系统称为超消色差系统。不过后两种系统，只在极特殊情况下才采用。也就是说买个好镜头，也就是买一个牛逼的消色差系统。

“色差”说得很明白了，消色差也讲了。那“消色差”“色差校正”究竟是怎么个搞法？一般消色差光学系统是对两种色光校正位置色差，当说光学系统已对波长分别为λ1、λ2的两种色光校正了位置色差，那就是说这两种色光的像就会有相同的位置。通常呢，这种条件已经满足我们日常所需了，普通镜头都是这么做的。

如上，虽然校正了两色光的色差，他们具有共同像点。但是再考虑第三色光，像点又不重合了，这个位置差称为二级谱线，如果还想校正二级谱线，那就要用复消色系统，长焦制版物镜及高倍显微物镜等都必须考虑二级谱线，所以价钱也就这么上去了，真是事儿花钱啊！

主要原理受教于:  http://202.198.141.13:8080/Resource/cz/czwl/WLBL/WLS00040/3000_SR.htm