简单梳理一下镜头杂散光

镜头杂散光的成因很多，在此做一个简单的梳理分类。希望在茫茫多的杂散光分析学习案例之上，能给出一些具有系统性通览的观点，并对一些到处混用的名词进行整理。

杂散光的成因大概分为以下几种：

（一）  镜片表面二次反射，即鬼影(ghost/ghost flare)

关键词：光源在视场内或附近、表面二次反射

（二）  手机摄影的鬼像(ghost/ghost image)

关键词：成像、中心对称

（三）  光源打在镜筒机械件上发生反射/散射，即眩光(flare)

关键词：光源在视场外、反射/散射

（四）  机械装配件部分阻挡正常光路，发生反射/散射，也称眩光(flare)

关键词：光源在视场内、机械装配件阻挡、反射/散射

（五）  特殊光学元件带来的杂光，如红外冷反射、菲涅尔透镜、衍射面、“星芒”等

本文主要讲解前四类。

（一）  镜片表面二次反射，即鬼影(ghost/ghost flare)

关键词：光源在视场内、表面二次反射

光线在入射到玻璃上的时候，从来不是100%透射的，由于菲涅尔反射(Fresnel reflection)的存在，总有少量光线会在界面处反射，这也是为什么玻璃窗有时可以当镜子用的缘故。没有镀膜的玻璃透射率大约在96%左右，也就是说有4%的光线会反射。

考虑在镜头里多个玻璃界面上发生两次反射的情形，就会有一些光线以预期外的路径到达像面，多出来了一个本不应存在的光斑，叫做鬼影。可以想象，鬼影的能量比起透射光路来是很低的。因此只有当对着强光源，譬如太阳拍照的时候才会容易发现鬼影。

事实上，在一个镜头里，会有很多镜片，第一第二次反射表面的组合有很多种，所以大逆光拍照的时候，常常会出现一连串的鬼影。

（图片摘自央视新闻）

仔细观察，可以看到这些鬼影还会带着光阑的形状。如果阅读过本号之前的几篇关于焦外散斑(bokeh)的说明文章，此处便不难理解这个现象。这类ghost在定性上还是认为它是flare。

此类杂散光可以通过使用镀膜有效抑制。另外在光学设计的时候，我们也希望鬼像光路的焦点尽可能远离像面，这样可以避免能量过于集中的鬼像光路的出现。

对于大的系统光路，如果还包含了照明系统，一般我们会用科勒照明等方式进行匀光，但是保不准某一道鬼像光路可以把光源的像清清楚楚呈现在像面上，这个需要特别注意。

总结一下关键点：形成ghost flare的时候，强光源应该是在被拍摄的画幅内或附近。其形成机理是镜片表面的二次反射。

（二）  手机摄影的鬼像(ghost/ghost image)

关键词：成像、中心对称

在摄影中还有一种特别的现象，常见于手机，即强光源会有一个于其本身关于画面中心对称的光影。拍摄太阳时会出现明显的小绿点。iPhone11发布后，这个现象受到了尤其多的关注，一度被热烈讨论，还形成了“iPhone鬼像门”的说法。

（图片摘自：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1646428878073150814&wfr=spider&for=pc）

由于这类ghost会直接成像，所以把它称为鬼像(ghost image)是一个比较好的名词。

显然形成该鬼像的强光源也是在摄影视场画幅内的。

这类鬼像由于其严格地按照画幅中心对称，只有非常特别的光路才有机会产生。要满足这样的光路，唯一的可能性是，光线在某处原路返回，然后再次经过镜面反射，并且到达成像面。

此处以一颗手机镜头的设计档案为例：

光从左侧进入，不同颜色的5束光线代表5个不同的入射角度，即强光源可能存在于不同的被摄位置。左侧平板为手机镜头的蓝宝石保护盖板。最右平面为成像面CMOS传感器。手机镜头的镜片都是非球面，形状复杂（本例为4片，现在的手机镜头多为6-8片），在这些镜片之间是不可能形成稳定的与原像中心对称的二次反射鬼影光路的。

中心对称鬼影的核心在于，光线在CMOS上发生了散射，部分光线原路返回。

当光路返回到蓝宝石保护盖板的时候，发生了部分反射，因而可以完整地到达像面再次成像，来看光路：

到这里应该就不难理解这种完全中心对称的鬼像了。显然这种鬼像也可以有效地通过镀膜来抑制，但由于手机镜头的使用场景，最外层很容易磨损，需要耐磨的材料蓝宝石来加以保护，而蓝宝石盖板的外侧，即便采取了镀膜，也很容易在使用中损坏。本博主有理由相信苹果公司直接就选择了蓝宝石盖板外侧不镀膜……

要形成这类鬼像，传感器上光线散射后部分光线的原路返回、位于镜头最前端的光阑、与光阑很靠近且不镀膜或者镀膜很差的保护盖板缺一不可。（这里没有完全详细解释，光学工程师朋友们可以尝试理解一下这三个条件。）

总结一下关键点：这类与原像中心对称的鬼像常见于手机摄影，其成因和传感器的散射以及不镀膜的蓝宝石盖板密切相关。

（三）  光源打在镜筒机械件上发生反射/散射，即眩光(flare)

关键词：光源在视场外、反射/散射

上面说鬼影的时候， 我反复强调了被摄物是在画幅内或附近。那当强光源远离画幅内的时候会发生什么呢？不难想象，远离画幅内的强光源，按照光路追迹，是不会到达像面的，它会打到摄像头的镜筒上，并且发生反射与散射。

图中绿色光线为正常视场内光线，而红色光线为大于最大视场的入射光线。明显可以看到红色光线会经过达到镜筒，并且最终抵达像面，形成杂散光。

此类杂散光在像面的形态往往如下图左下角的弧状光斑：

这类杂散光可以通过对镜筒内壁涂黑，增加挡光结构等办法进行抑制。使用软件分析杂散光的时候，常见的技法有把像面设置为光源，考察从镜头入口出射的光线，这样可以方便地知道哪些入射角度造成的眩光最严重，并且针对性地添加挡光机构的设计。

摄影镜头的遮光罩，就是为了遮挡这部分视场外的强光进入镜头并形成眩光的。

总结一下关键点：这类杂散光光源在视场外，在镜筒等机械结构上发生反射或者散射。可以用逆向光路的方法来分析。

（四）  机械装配件部分阻挡正常光路，发生反射/散射，也称眩光(flare)

关键词：光源在视场内、机械装配件阻挡、反射/散射

这是与第三类杂散光成因很类似，形态也类似，不过对于光学设计师而言有明显区别的一类杂散光。这些光线是在光学设计的正常视场范围内的！它们被垫圈等机械结构遮挡，反射或散射，并且形成杂散光，如下图：

（注意本例中，光线从右往左传）

如圈出来的地方，这种光学结构和机械结构碰到一起的情况，是非常容易形成严重的杂散光的。由于在光学设计中这部分光线完全是视场内的光线，所以光学设计师很难在单纯镜头设计而没有机械工程师参与的情况下察觉这类杂散光。在模拟软件方面，最方便的解决方案就是在CAD环境下允许光线追迹，推荐使用Zemax公司的OpticsBuilder软件。

总结一下关键点：这类杂散光光源在光学设计的视场内，在垫圈等装配件上发生反射或者散射。

（五）  特殊光学元件带来的杂光，如红外冷反射、菲涅尔透镜、衍射面、“星芒”等

红外冷反射、菲涅尔透镜以及衍射面造成的杂散光对于普通玩家比较少见，这里不多做介绍了。说说“星芒”吧。

一句话总结，任何成像中发散状放射状的光线，都可以被认为是“星芒”这一类问题。光在通过孔径边缘时发生的夫琅禾费衍射，会使得光线垂直于孔径的方向上传播。

好看的星芒大概是下图这个样子的，星芒的光线条数等于镜头光阑片的瓣数。

（图片摘自：http://bbs.zol.com.cn/dcbbs/d268_29183.html）

但如果你看的情况是下面这种：

（照片摘自：http://tieba.baidu.com/p/5478939023）

这说明，你的镜头该擦了……

带油的脏手沿着一个方向摸过镜头，相当于在镜头保护盖板上用手上的污渍画了很多条垂直于上图光线方向的条纹。这些条纹对强光源产生了夫琅禾费衍射。同样的效应也多见于车辆雨刮刮过的前挡玻璃。

（本文完）