镜头畸变的本质，是由镜片组的球面像差造成的。所以望远结构的镜头（前组正镜、后组负镜，比如长焦镜头）都是枕状畸变，反远结构的镜头（前组负镜、后组正镜，比如广角镜头）都是桶状畸变。对称结构就不会有畸变。
理想光学系统中，物像共轭面上的垂轴放大率为常数，所以像与物总是相似的。但在实际光学系统中，只有在近轴区域才有这样的性质。一般情况下，一对共轭面上的放大率并不是常数，随视场的增大而变化，即轴上物点与视场边缘具有不同的放大率，物和像因此不再完全相似，这种像对物的变形像差我们称为畸变。
在图6-26中，B点是平面物体的任一轴外点，过B点所作的辅助光轴与像面交于B0′，B0′点即为B点的理想像点。B点以细光束成像时交于辅轴上的B′点， B′B0′为B点的匹兹伐场曲。当B点以主光线成像时，交辅轴于B1′点，B1′B′为B点的球差，这是因为由B点发出的主光线相对于辅轴有一定孔径校将产生球差。所以，主光线最终经B1′点交像面于BZ′点，偏离了理想像点B0′，产生畸变。再看看位于光轴上的A点，主光线与光轴重合，主光线的像点与理想像点在像面的中心点A′重合，因此轴上点不存在畸变。
由以上分析可以看出，畸变的形成既有场曲的因素也有球差的因素。
无论是桶形畸变还是枕形畸变，其发生的本质原因，都是因为镜头中心区域与边缘区域j放大率不一致引起的，只不过两者失衡的方向是相反的。
• 对于广角镜头而言，镜头中心区域的放大率大于边缘区域的放大率，因此边缘区域的实际像高小于理想状态下的理论计算像高，导致的现象就是像点向中心收缩，也就是桶形畸变。• 而对于长焦镜头而言，其中心区域的放大率小于边缘区域的放大率，因此边缘区域的实际像高大于理想状态下的理论计算像高，导致的现象就是像点向外膨胀，也就是枕形畸变。
《应用光学》张以谟 P230
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