一文看懂轴上色差：镜头中心发虚、带彩边的元凶

    很多人用相机、望远镜、显微镜的时候会遇到这种情况：明明对准了焦距，画面中心还是有点模糊，甚至带着淡淡的红/蓝彩色重影，这大概率就是光学里最常见的像差之一——轴上色差（也叫位置色差）在起作用。

    一、轴上色差到底是什么？
    我们平时看到的白光，其实是红、绿、蓝等不同颜色的光混合而成的。轴上色差的核心问题就是：不同颜色的光，穿过镜头之后，没法在同一个位置聚成清晰的点。
    比如红光的焦点离镜头更远，蓝光的焦点离镜头更近，相当于几个颜色的焦点在光轴上“错开了”，最终合在一起的像就会发虚，边缘还会带出彩色的重影，直接影响画面的清晰度和对比度。

    二、为什么会产生轴上色差？
    这个问题的根源在光学玻璃本身的特性：
    不同颜色的光，在玻璃里的传播速度不一样。红光波长更长，在玻璃里跑得更快，穿过镜头的时候偏折角度更小；蓝光波长更短，在玻璃里跑得更慢，穿过镜头的时候偏折角度更大。
    偏折程度不一样，最终的聚焦位置自然就不一样。就像几个人跑同一段路，速度不一样，到达终点的时间也就不一样，这就是轴上色差产生的根本原因。

    三、怎么判断轴上色差严不严重？
    行业里有一套简单通用的判断标准：
    1.基础色差校正（消色差）：我们一般用红光和蓝光的焦点距离来衡量色差大小。如果把这两个颜色的焦点调到了同一个位置，就说明这个镜头完成了基础的“消色差”，大部分普通镜头做到这一步就够用了。
    2.二级光谱：红光和蓝光对齐之后，中间的绿光焦点往往还没对齐，剩下的这一点点偏差，就叫“二级光谱”。只有科研显微镜、高端摄影镜头这种对清晰度要求极高的设备，才需要专门校正二级光谱，也就是我们常说的“复消色差”镜头。
    这里还有个很重要的特点：轴上色差只和镜头的光圈大小有关，和画面的边缘视场没关系，也就是说不管是画面中心还是边缘，都会受轴上色差的影响，只是中心表现最明显。

    四、设计镜头时，怎么快速检查轴上色差？
    光学设计最常用的软件Zemax里，有5种简单直观的方法，可以快速查出轴上色差的大小：
    1.光线像差图（RayFan）：看画面中心的位置，不同颜色的光线曲线斜率不一样，一眼就能看出有没有轴上色差。
    2.色焦移图：专门用来展示不同波长的光，焦点沿光轴偏移了多少。如果曲线弯成了“C型”或者“反C型”，就说明红光和蓝光的焦点已经对齐，基础色差已经校正完了，只剩二级光谱。
    3.轴上像差图：直接看不同颜色的光，在不同光圈下的焦点差距，小光圈位置的差值，就是最基础的轴上色差数值。
    4.AXCL操作数：软件里自带的专用工具，可以直接算出轴上色差的具体数值，调整镜头的时候可以直接用这个数值做优化，非常方便。
    5.像差系数换算：通过基础的像差系数，也可以换算出轴上色差的大小，结果和上面的方法完全一致，可以用来交叉验证。

    五、更复杂的高阶色差：色球差
    刚才说的都是小光圈下的基础色差，如果镜头开大光圈，还会出现更复杂的色球差。
    简单来说就是：光圈开得越大，镜头边缘进来的光线，不同颜色的焦点差得就越厉害。小光圈下色差已经校正好了，一开大光圈色差又出来了，这就是色球差在起作用。

    校正色球差的逻辑也很简单：同时兼顾大光圈和小光圈的色差，用大光圈的色差数值减去小光圈的色差数值，抵消掉基础色差的影响，就能让全光圈范围的色差都保持一致。
    轴上色差是所有带镜头的光学设备（相机、望远镜、显微镜）最基础的像差之一，本质就是不同颜色的光聚焦位置对不齐。我们平时说的镜头好不好、清不清晰，很大程度上就看它的色差校正做得到不到位。