第2章 光学基础回顾：三大定律、近轴光学与像差入门
做手机镜头设计，说白了就是跟光打交道。你不需要成为物理学家，但有些基础概念必须刻在脑子里。这一章我带你快速过一遍，都是后面实战天天要用的东西。
2.1 几何光学三大定律
几何光学把光看作一条条射线。三大定律就是这些射线的行为规则。我个人习惯把它们叫做「光的交通规则」。
2.1.1 直线传播定律
光在均匀介质里走直线。这听起来像废话，但很重要。比如你设计一个5P镜头，光线从物体出发，经过四片透镜，最后到传感器——每一段都是直线，只在透镜表面发生偏折。
2.1.2 反射定律
入射角等于反射角。手机镜头里反射用得少，但潜望式结构里那面棱镜，就是靠反射定律工作的。我遇到过新手把棱镜角度算错，结果光路偏了0.5°，整个模组报废——嗯，那批样品花了公司十几万。
2.1.3 折射定律（Snell定律）
这是最核心的。公式很简单：
n₁ · sinθ₁ = n₂ · sinθ₂n是折射率，θ是光线与法线的夹角。光线从空气进入玻璃，速度变慢，方向偏折。你想想看，手机镜头里6片透镜，光线要经历12次折射，每次偏折一点点，最后汇聚到传感器上。这就是成像的本质。
2.2 近轴光学与理想成像
现实中的光线很复杂，但我们可以先做一个简化假设：光线只在光轴附近很小的区域内传播，角度也很小。这就是近轴近似。
2.2.1 近轴近似条件
当角度θ很小时，sinθ ≈ θ，tanθ ≈ θ。这个近似让计算变得简单。说白了，就是把曲线当成直线来处理。
我刚开始做设计时，总觉得近轴近似太粗糙。后来发现，手机镜头的视场角虽然大（通常70°~80°），但每片透镜承担的偏折角度其实很小，近轴计算能给出很好的初始结构。
2.2.2 理想成像公式
在近轴近似下，透镜成像满足高斯公式：
1/f = 1/u + 1/v其中f是焦距，u是物距，v是像距。手机镜头通常物距远大于焦距（拍两三米外的物体），所以v ≈ f，像面就在焦平面附近。
还有一个重要概念是放大率：
m = v/u = 像高/物高手机镜头放大率通常很小，0.01~0.02的量级。这就是为什么远处的景物被缩小到传感器上。
| 参数 | 典型值（手机镜头） | 说明 |
|---|---|---|
| 焦距 f | 3.5~6.0 mm | 主摄通常4~5mm |
| F数 | 1.6~2.4 | F1.8最常见 |
| 像高 | 4.0~6.5 mm | 对角线半像高 |
| 视场角 | 70°~85° | 主摄约78° |
2.3 像差概念入门
近轴光学是理想情况。现实中的光线不听话，偏离理想成像，就产生了像差。像差是镜头设计的头号敌人。
2.3.1 单色像差（Seidel像差）
一共五种，我按出现频率排序：
- 球差： 光线经过透镜边缘和中心，聚焦点不一样。手机镜头大光圈时球差特别明显。
- 彗差： 轴外点成像像彗星尾巴。拍夜景灯光时那种拖尾就是彗差。
- 像散： 水平和垂直方向聚焦不一致。拍文字时横竖清晰度不同。
- 场曲： 像面不是平面，是弯曲的。传感器是平的，所以边缘会模糊。
- 畸变： 像的形状变形。拍直线变弯，桶形或枕形。
我曾经遇到一个项目，镜头中心分辨率很好，边缘一塌糊涂。查了半天，是场曲和像散耦合在一起。后来调整了第二片透镜的曲率，才把边缘拉回来。嗯，这种问题在手机镜头里很常见。
2.3.2 色差
不同颜色的光折射率不同，所以红蓝光聚焦点不一样。手机镜头必须校正色差，否则拍出来的照片边缘有紫边。
校正色差的方法：用不同色散系数的透镜组合。低色散（阿贝数高）的透镜配高色散（阿贝数低）的透镜，互相补偿。手机镜头里常用ED（超低色散）塑料透镜。
2.4 本章知识体系
下面这张图把本章的核心概念串起来，方便你对照理解：
这张图把三大块内容串起来了。左边是光的传播规则，中间是理想成像模型，右边是现实中的偏差。你设计镜头时，就是在这三者之间来回权衡。