镜头边缘的解析力通常比中心差很多的原因是什么？

1、问题背景

之前有总结过一篇文章，“相机出图画面一半清晰，一半模糊的原因是什么？”里面有描述到关于镜头边缘的清晰度通常比中心要差的原因主要是光的折射导致的，有读者指出问题，折射率是和传输介质相关，入射的介质都没变，折射率就不会改变。所以当时写的有点想当然了，本篇文章主要是纠正一下之前的结论，重新整理总结一下关于镜头边缘的清晰度通常比中心要差的原因是什么。

2、问题分析

上面读者已经提到了，镜头边缘像质变差是因为光学系统的像差导致。那什么是像差？而且镜头像差有6种，分别是球差、慧差、像散、畸变、场曲、色差，具体又是由哪种像差导致的，怎么导致的？该如何去避免呢？

a、什么是像差？

就是实际像与理想像之间的差异。对于理想的成像系统，是点物成点像，从物体的一点发出的光，通过透镜后，在一点汇聚而成像。但实际对于普通的透镜而言，光是不能汇聚于一点的，这种现象叫做像差。

b、镜头像差有6种，球差、慧差、像散、畸变、场曲、色差，具体是由哪种像差导致的，怎么导致的？

镜头边缘像质变差，主要是因为镜头的像场弯曲导致（简称场曲）。

凸透镜是一个球面光学系统，由于其本身的特性决定了其成像面不是平的，但我们设计的感光元件又是平面的，所以物面上所有的点经过系统后，这些像点所成的面为一个曲面，这种成像的缺陷就是场曲。

光学系统存在场曲时，由于像面是弯曲的，而感光面是平面，所以不能使平面物体上的各点同时在像面上清晰成像。

若按视场中心调焦，中心清晰，边缘则模糊。若按视场边缘调焦，边缘清晰，中心则模糊。实际成像结果如下图所示。

相机成像时的表现就是对焦点锐利，其余部分逐渐松散，场曲在大多数镜头里都存在，但表现最明显的还是老式广角镜头。实际上大多现代镜头的场曲都呈现如下这种形态：对焦点与边缘锐度高，其余部分成像松散。在佳能 14mm F2.8 上呈现出的就是这种效果。

c、如何评判镜头的场曲

如下是镜头场曲的示意图，纵轴是高斯像面的位置（也就是理想成像面），横轴是偏移距离。图中T和S分别表示子午场曲和弧矢场曲，T和S间的距离表示另外一种像差像散的大小。

其实从镜头MTF曲线图就能看出它是否存在场曲，或者场曲现象是否严重，如下是佳能 14mm F2.8 镜头的MTF曲线。横坐标是中心到边缘的距离，纵坐标是MTF值，镜头成像越清晰MTF值越接近于1。可以很明显地看出好几条测试线对都呈现“W”型波动，这就是场曲的典型表现。

d、如何避免场曲

1）光学系统设计

从光学系统设计角度，第一种是使用正负透镜组合的方式，设计中保留一定的像散，使弧矢面和子午面向相反方向弯曲，降低像面的弯曲程度；第二种是用厚透镜来矫正场曲。

2）弯曲感光面以适应场曲像面

还有一种方法是把感光面弯曲，以适应场曲。因此在某些专用照相机中，故意将底片处于弧形位置，以减少场曲的影响。

实际我们的眼球成像就基本没有场曲，因为视网膜就是弧形的。另外，由于广角镜头的场曲比一般镜头大，为了规避场曲，拍团体照时采用略带圆弧形的站位，就是为了提高边缘视场的像质。

参考资料：《有趣的透镜》、光语者-摄影光学与镜头_中国大学MOOC（慕课）