【成像光学基础】渐晕到底是怎么一回事(本文有福利)||之晓光学

百科   2025-01-07 17:30   陕西  

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接下来开始本期的正文:

在光学设计的学习与实践中,渐晕(vignetting)是一个经常被提及但又容易被忽视的概念。它是指由于光学元件的几何限制,导致成像系统边缘视场的光通量减少的现象。渐晕的存在不仅影响成像的亮度均匀性,还可能对成像质量产生一定的影响。然而,渐晕在某些情况下也可以被巧妙地利用,以达到特定的设计目的。本文将详细探讨渐晕的概念、成因及其在光学系统中的影响,并通过一道习题来帮助读者更好地理解渐晕现象。此外,我们还将介绍如何在Zemax软件中设置和分析渐晕,以便在实际设计中灵活运用相关理论。希望通过本文的讨论,读者能够对渐晕有一个全面而深入的认识,并在设计与优化光学系统时,将理论应用于实践。


Part1


渐晕的概念

在光学系统中,孔径光阑、入瞳和出瞳的位置是非常重要的。主要原因有两个:一是像差的校正和像质都与光瞳的位置密切相关;二是通过光学系统的光能量即光通量受光瞳和系统中所有光学元件大小的限制。
渐晕现象是指由于光学元件的几何限制,导致成像系统边缘视场的光通量减少的现象。当来自视场中各点的光束完全充满孔径光阑而不被光阑周围的孔径所遮挡时,系统没有渐晕。这意味着光束能够均匀地通过光学系统,各个视场的光通量保持一致,成像亮度均匀。然而,在实际的光学系统中,由于各种原因,如光学元件的尺寸限制、遮光元件的影响等,往往会导致光束在边缘视场被部分遮挡,从而产生渐晕现象。渐晕会使边缘视场的光通量降低,成像亮度不均匀,影响成像的整体效果。
渐晕虽然会使边缘视场照度下降,但是渐晕的存在有助于提升边缘视场的成像质量(相当于边缘视场的有效通光口径比中心视场小,像差自然会相应的降低)。同时渐晕可以降低透镜的有效口径,从而降低透镜的成本和重量,可以说有利有弊。

一般情况下,人眼可以接受目视光学系统存在30%的渐晕,即像亮度在这个幅度内的缓慢变化通常不被人眼所注意。在日常生活中,各种投影仪和照相机镜头往往都存在渐晕,特别是大光圈镜头和光角镜头,往往边缘视场具有明显的渐晕,而照相机探测器目前都具有较大的动态范围,一定程度的渐晕在摄影中也是可以接受的。下面这张照片是我用之前介绍过的一颗镜头拍摄的,这种暗角现象就说明了这颗镜头具有较大的渐晕。

该镜头介绍在这里:光学设计案例——美能达35mm-70mmF/#3.5镜头



Part2


一道习题

一开普勒望远镜,入瞳直径为40mm,物镜焦距100mm,目镜25mm,物方半视场角为5度,分别求无渐晕和渐晕系数K=50%时的目镜口径。
如果大家会画这道题的光路图,就能直接求出结果,也就能理解渐晕到底是怎么一回事,我们可以先画出无渐晕时的光路:

利用相似三角形,即可计算出目镜的有效口径,目镜的口径由最大视场对应的边缘光线决定。接下来我们再看一下有渐晕时的情况,渐晕系数50%其实也是一个特殊情况。

渐晕系数50%相当于有效通光被遮挡一半,此时目镜的口径直接用五度的视场角和目镜物镜之间的间隔就可以算出来。这里我就不具体计算了,大家可以自己试一下,也可以试一下其他渐晕系数的时候是什么情况。

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Part3


Zemax软件中的设置方法

如果我们拿到一个专利里的初始结构,输入到Zemax里面之后光学系统图可能是下面这种情况。这并不是我们输入的参数有问题,而是这个系统本身是具有渐晕的。

默认的镜头数据编辑器中没有渐晕,我们可以自己在视场编辑器中设置渐晕大小,这里的数即为归一化的渐晕因子,例如下面的输入方式表示最大y视场渐晕系数为70%。另外在ZEMAX中,VDX/Y大小表示视场的平移(相对于孔径光阑),单位为mm,这个可以描述激光扫描等情况。

给定了上面的渐晕系数,并简单优化一下,我们可以看一下此时系统的状况。这样的初始结构是可以用来进一步优化的。

实际上的渐晕主要是元件形成的,也就是光学元件和机械元件在某些位置形成了渐晕光阑,实际渐晕系数还有一种更精确的计算方法。我们可以先把所有的透镜口径设为固定值。接着让系统自动计算一下实际的渐晕系数。

此时系统是根据我们固定的透镜口径自动计算的各视场渐晕大小,这种方法更符合实际情况。在优化的早期,由于我们的初始结构和最后的结果往往相差较大,所以也可以手动调整渐晕系数。可以说这两种方法都是常用的,在优化一个镜头的过程中都可能用到。


Part4


总结

通过本文的详细讨论,我们对渐晕有了一个全面而深入的认识。总之,渐晕作为一个经常被提及但又容易被忽视的概念,在光学设计的学习与实践中具有不可忽视的作用。希望读者能够将本文所学的理论知识应用于实际的设计与优化过程中,灵活运用相关理论,提高光学系统的成像质量,满足各种应用需求。

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