在本文中，我们将继续学习不同类型的光学像差（Optical Aberrations），包括色差、场曲、畸变和散光（Chromatic Aberration, Field Curvature, Distortion, and Astigmatism），这是对我们上一篇文章讨论球面像差和彗形像差（Spherical Aberrations and Coma）的延续。
在光学中，像差是光学系统（如透镜）的固有属性，会导致光线偏离理想的焦点位置（无论是会聚还是发散），也可以看作是光学系统的实际性能偏离了视轴光学理论预测。光学像差会造成图像模糊和失真，降低图像质量。需要注意的是，即使透镜在几何形状、表面质量和光轴中心上是完美的，成像仍然会存在像差，当光圈增大或视场偏离极小值时，这种影响更加显著。像差存在的原因是简单的视轴光学模型不能完全准确地描述光学系统成像的真实情况。
光学像差可以分为单色像差（也称为Seidel像差，以德国数学家Philipp Ludwig von Seidel命名，他在1857年首次用计算方法描述了这些像差）和色差两类。Seidel像差共有五种，其中三种——球面像差、彗形像差和散光——会导致图像基本质量下降，使图像模糊；其余两种——Petzval场曲和畸变——会改变图像的几何形状。
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色差是由色光进入透镜引起的一种像差。
色散现象是色差产生的原因。如图1所示，当白光通过棱镜时，会被分解成不同的颜色。这是因为不同颜色的光波长不同，折射率也不同。短波长光的折射率较大，而长波长光的折射率较小。
图1. 三角棱镜中的色散。白光被分解为多色光。
透镜也会产生与棱镜相同的现象（见图2）。由于红光折射率小，蓝光折射率大，通过透镜后，红光焦点在后方，蓝光焦点在前方（相对于理想焦点）。这种偏离理想焦点的位置称为色差。这意味着从点光源发出的白光到达成像面时，不能成像为一个点，而是由不同颜色组成的彩色斑点。
色差分为两种：轴向色差和放大率色差。轴向色差指由于不同波长在光轴上焦点位置的差异而产生的色差；放大率色差指由于波长差异导致图像面上垂直于光轴的图像颜色位置发生变化。这是一种离轴像差，其影响随视场角增加而增加（点击链接了解视场（Field of View））。
图2. 光学透镜中的色差。
轴向色差与成像焦距相关，导致颜色分离或光晕；放大率色差与成像平面大小相关，造成屏幕周围颜色错位，形成漫射色边，这称为色晕现象。色差会影响彩色胶片的色彩再现，也会降低黑白胶片的分辨率。
常用的校正轴向色差的方法是使用消色差双胶合透镜（Achromatic Doublet Lens），由不同折射率/色散指数的透镜组成，使色差相互抵消。透镜组通常由凸色散小的正色冠透镜和凹色散大的负色柱透镜组成。收敛的色冠透镜折射率低、色散小，而发散的色柱透镜折射率高、色散大。
与轴向色差相比，校正放大率色差更为困难，其对图像质量的影响随焦距增加而增加，不随光圈缩小而减少。有效的校正方法是使用异常/超低色散光学玻璃制造透镜。
场曲，也称“场的曲率”或Petzval场曲，是一种常见光学问题。它指的是垂直于主光轴的物平面无法形成平坦的像场，而是向内弯曲成碗状。结果是平面物体在画面中只能部分清晰，而无法在整个画面上都清晰。原因在于光学元件的曲率特性，实际上存在两个像平面：主像平面是切线方向的焦平面，次像平面是径向线的焦平面，透镜投射的图像是弯曲的而非平坦的。
因此，所有透镜都存在基本场曲，与透镜材料折射率和表面曲率相关。使用具有场曲的透镜拍摄时，若焦点在画面中心，中心清晰，边缘模糊；若焦点在边缘，中心模糊。最清晰的图像只能在弯曲焦面上形成，而非平面焦面。若图像平面几何不符合弯曲焦面，必然产生模糊。因此，部分特殊相机将胶片弯曲放置，以减小场曲影响。这也解释了为什么使用广角镜头拍摄时，传感器将拍摄对象沿弧形排列，以改善周边视场图像质量，因为广角镜头的场曲较大。
图3. 场曲示意图
畸变是放大率随视场角变化而产生的像差，导致图像形状偏离实际物体。畸变不影响图像质量，仅影响图像与物体的相似性。
畸变使物平面上的直线在像面上弯曲，产生“假像”。畸变与相对光圈无关，而与镜头视场有关，因此使用广角镜头时需特别注意畸变影响。
畸变可视为针孔成像理想模型的偏离。在针孔投影中，物体放大率与光轴上距离成反比，摄像机对准平面可还原该平面。畸变可理解为图像的非均匀拉伸。
畸变分为两种：桶形畸变和枕形畸变。桶形畸变是指图像中心放大率小于边缘，枕形畸变相反。桶形畸变常见于广角和鱼眼镜头，枕形畸变常见于长焦镜头。
图4. 桶形畸变与枕形畸变示意图
单透镜在所有物距下无畸变，但若在薄透镜前后设置光阑，畸变会产生。若光阑置于透镜上，不会引入畸变。成功的相机设计通常在两组近似对称透镜间设置光阑，可部分校正畸变和散光。也有多种算法用于校正畸变，如findChessboardCorners, calibrateCamera, initUndistortRectifyMap, remap等。校正过程是将物点从世界坐标系转换到相机坐标系，再投影到成像平面坐标系，最后将成像平面数据转换为像素坐标系。
散光指物点不在光学系统光轴上，所发出的光束与光轴有倾角时产生的像差。散光不同于彗形像差（Coma），是一种离轴像差，仅与视场相关。其值为子午线光束会聚点与经线光束会聚点在光轴上的投影距离。
对于整个光束而言，子午线焦点上垂直于子午面的短线称为子午焦线；在经线焦点上垂直于子午焦线的短线称为经焦线。其他位置光束横截面为椭圆状散斑；两焦线中间位置为圆形散斑，该光束结构称为散光光束，该成像缺陷称为散光。
散光存在时，离轴视场图像质量显著下降，即使光圈很小，也无法在子午和经向同时获得清晰图像。散光大小仅与视场角有关，与光圈无关。因此广角镜头散光更明显，拍摄时应尽量将主体置于画面中心。
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