相机镜头作为光学系统的核心,其原理基于几何光学与物理光学的结合，通过精密设计的透镜组将来自场景的光线汇聚并聚焦到图像传感器上，最终形成清晰、准确的影像，理解其光学原理，需从基本元件、成像规律、关键参数及像差校正等维度展开。
基本光学元件与成像基础
镜头的核心是透镜,常见的凸透镜（正透镜）对光线具有会聚作用，凹透镜（负透镜）则发散光线，实际镜头并非单片透镜，而是由多片凸凹透镜组合而成，目的是校正单片透镜的固有缺陷，当光线穿过镜头时，遵循折射定律（n₁sinθ₁=n₂sinθ₂），不同波长的光折射率略有差异（色散），而透镜的曲率半径、厚度及材质（如折射率n、阿贝数ν）共同决定光线路径。
相机成像的本质是凸透镜成像：物体位于镜头2倍焦距外时，在传感器上形成倒立、缩小的实像，焦距（f）是镜头的关键参数，指平行光线经透镜汇聚后到焦点的距离，决定了视角大小——焦距越短（如14mm广角），视角越宽，能容纳更多场景；焦距越长（如200mm长焦），视角越窄，能放大远处物体。
关键光学参数与功能
- 光圈（Aperture）：由镜头内部可调节的叶片组成，控制进光量的大小，用F值（f/数值）表示，如f/1.8、f/16，F值=焦距/入瞳直径，F值越小，光圈越大，进光量越多，同时景深（成像清晰的前后范围）越浅，适合虚化背景；F值越大，则相反。
- 最近对焦距离：镜头能清晰对焦的最近物体距离，影响微距拍摄能力，如微距镜头最近对焦距离可达几厘米。
- 像面尺寸匹配：镜头需与传感器尺寸匹配，如全画幅传感器（36×24mm）需全画幅镜头，APS-C画幅传感器（如23.5×15.6mm）需对应镜头（焦距需乘以 crop系数，如1.5倍）。
像差与校正技术
单片透镜成像存在多种像差,导致画质下降，需通过多片透镜组合与特殊设计校正：
| 像差类型 | 现象 | 校正技术 |
|---|---|---|
| 球差 | 边缘光线焦点与近轴光线不一致，画面边缘模糊 | 非球面镜（改变透镜曲面曲率）、双胶合透镜（正负透镜组合） |
| 彗差 | 点光源成像为彗星状，边缘出现拖尾 | 对称式镜头结构、特殊透镜形状 |
| 像散 | 不同方向子午焦线与弧矢焦线不重合，画面边缘细节模糊 | 双分离透镜、非球面镜 |
| 场曲 | 像面弯曲而非平面，边缘对焦困难 | 负透镜组补偿、对称式设计 |
| 畸变 | 直线弯曲，桶形畸变（广角）或枕形畸变（长焦） | 对称式结构、后组校正透镜 |
| 色差 | 不同波长光焦点分离，画面边缘出现彩色边缘 | 低色散玻璃（ED、UD镜片）、萤石镜片、阿贝数控制 |
镜头表面镀膜（如增透膜）可减少反射，提升透光率（现代镜头透光率可达95%以上），同时抑制眩光与鬼影。
现代镜头技术进展
随着技术发展,非球面镜（减少球差、畸变）、低色散玻璃（消除色差）、浮动对焦系统（微距时保持画质）等广泛应用，佳能的USM超声波马达、尼康的SWM Silent Wave马达实现快速安静对焦，而防抖技术（如光学防抖）通过移动镜片组抵消手抖影响，提升暗光拍摄成功率。
相关问答FAQs
Q1：为什么长焦镜头更容易因手抖导致模糊？
A：长焦镜头焦距长，视角窄，相同的手抖幅度在传感器上会被放大（相当于“放大抖动”），200mm镜头的视角约为1°，轻微的1°手抖会导致画面大幅偏移，而14mm镜头视角约114°，1°抖动几乎可忽略，因此长焦镜头通常需要搭配三脚架或光学防抖功能。
Q2：广角镜头边缘画质下降的原因是什么？
A：广角镜头视角大，边缘光线以大角度入射透镜组，易产生像差（如彗差、像散、场曲），虽然现代镜头通过非球面镜和低色散玻璃校正，但边缘光线仍比中心光线更难精确汇聚，导致边缘锐度、对比度低于中心，这也是高端广角镜头需更高成本设计的原因。
