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    [原创]从风景物镜(Landscape Lens)谈起   — — 像差常用校正方法之透镜弯曲与光阑移动 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2019-08-21
    从风景物镜Landscape Lens)谈起
    像差常用校正方法之透镜弯曲与光阑移动
    u[HamGxx$u  
    简述:以简单的风景物镜为例,详细分析透镜弯曲和光阑位置对像差校正的影响,简要说明实际设计中各像差之间的取舍,光学设计与最终产品设计之间的妥协。 F!<!)_8Q  
    风景物镜(Landscape Lens),并非只是拍摄风景的物镜,在光学设计领域,是对一种典型镜头结构的特指。 feJl[3@tO  
    采用风景物镜的相机,体积较大,笨重,大概就是图1中的样子。
    W1&"dT@  
    1、采用风景物镜的相机
    1+#E|YWJ  
    使用风景物镜拍摄照片时,需要的曝光时间很长,被拍摄者要正襟危坐。有时还要搞一个镁光灯,镁剧烈燃烧,发出强光的同时,冒一团烟……这些场景,在电影里经常能够看到。
    v,kvLjqt  
    2、清朝照片
    lhPxMMS`j  
    如图3示,风景物镜的光路结构很简单,最简单的就一片透镜。 (]` rri*^  
    风景物镜,是一种大视场小孔径系统。因为相对孔径较小,单位时间内进光量少,因此需要的曝光时间很长。风景物镜还有一个特点:像面平直,观察图3中光路,即可看出:在子午面内,像面是平直的,大视场光线良好的汇聚在了底片所处位置。
    d2?#&d'aq  
    3、风景物镜光路结构(实际中使用的风景物镜光阑在右侧)
    bao"iv~z  
    如图4示,普通单正透镜,像面弯曲严重。大视场光线在像面左侧较远位置汇聚。在像面处光线发散,将形成了一个很大的弥散斑。
    P*]hXm85[K  
    4、普通单片正透镜(像面弯曲严重)
    (<}BlL   
    风景物镜虽然是依靠经验、而不是理论计算设计出的镜头,但是,其中包含了很多光学设计的原理,以及对光学原理的巧妙应用。 @1A.$:  
    在学习像差理论时,光学设计书籍上会讲到:“正(负)透镜焦距和玻璃材料固定时,匹兹伐和与像面弯曲几乎是恒定的;正透镜场曲曲线向左弯曲,负透镜场曲曲线向右弯曲。”那么,为什么风景物镜,仅仅采用一个单正透镜,其像面可以校正为平直的呢? P  Ij  
    这段话,漏掉了一个重要的限定条件:“光阑在薄透镜上。” r=/$}l4  
    首先,透镜很薄,不是厚透镜;其次,光阑固定不变。 -zzoz x]S=  
    有了这个条件的限制,一个正透镜,在不修改材料的情况下,不论如何弯曲透镜,最终获得的像面,总是弯曲的,而且弯曲幅度变化不大,不可能变得平直。(对此结论有怀疑的,可以追迹下第一、第二近轴光线,计算下初级像差;或者直接在光学设计软件里修改透镜弯曲,查看场曲曲线)。
    p^1~o/  
    5、光阑位置与像高关系图
    :=*V i`  
    那么,风景物镜到底是如何在子午面内,获得平直的像面的呢? 3RF`F i  
    理论公式太枯燥,且晦涩难懂,我们先根据图表讲解。 {DapXx  
    如图5,图中,横坐标L为光阑位置;纵坐标H'为主光线在像面上的入射高度。从图中曲线可以看出,在BD附近,出现极值点。当光阑在B附近或者D附近移动时,像高在一个较小的移动区间内,不发生变化。 [V_+/[AA)  
    这个位置,就是我们要寻找的放置光阑的位置。根据曲线走向,可以预判出:光阑放置在BD附近,子午面内的场曲曲线将趋于平直,从而获得较平的像面。 w*]FJ-b<.j  
    为了获取接近最优的设计结果,我们可以多绘制几幅与图5类似的光阑位置与像高关系图。如图6示。
    ]v]tBVO$  
    6、不同弯曲形式透镜的光阑位置与像高关系图
    Qff.QI,  
    通过观察,图6中(a)和(e)出现了能使像面平直的光阑位置点。 &xpvHKJl  
    如图7示的两种形式,均可获得子午相面内像面的平直。
    7、获得场曲平直的两种结构形式
    c^<~Y$i  
    通过以上分析,可知:风景物镜,通过弯曲透镜形状和调节光阑位置两个途径的结合,最终获得了子午面内平直的像面。 =!G{+&j  
    ^zW=s$\Fo  
    那么,这其中包含的光学设计原理是什么呢? #-o 'g!  
    为什么有些弯曲形式的透镜通过光阑位置的选取,可以使象散和场曲得到校正?比如图6中的(a)、(e);为什么有些弯曲形式的透镜,光阑位置变化,对象面弯曲几乎没有影响呢?比如图6中的(c)。(图6C透镜,不论光阑位置如何移动,都无法得到稳定的像高,大视场光线一直在像面左侧汇聚,类似于图4中普通单透镜的光线汇聚形式。) |\>Ifv%{  
    4Y{;%;-i  
    为了把这个原理讲清楚,要引入两个概念: I_ AFHrj  
    1、本征像差; IL1iTR H  
    2、衍生像差。 LLKYcy  
    以象散为例,可分为本征象散和衍生象散。本征象散只和透镜的折射率与光焦度有关,也就是说,透镜的焦距固定、材料选定之后,本征象散基本固定不变。而衍生象散,顾名思义,是由其他像差衍生而来的。此处的其他像差为:球差和彗差。如何衍生、以何种方式衍生呢?简单来说,衍生方式为调整光阑位置,改变大视场主光线在透镜上的入射高度,使球差和彗差衍生出数值不同的衍生象散。
    m@UrFPZ  
    8、主光线与透镜交点高度
    ,pY:kQ  
    FKPR;H8>  
    公式中: B}"V.Msv/  
    Q为大视场主光线和透镜的交点高度与0度视场最大孔径光线与透镜的交点高度之比值; wD:2sri  
    TAC*为透镜的总象散; 6 FN#Xg  
    TAC为本征象散; ^]D+H9Tl  
    2Q.CC + Q2TSC为衍生象散。 ^X?uAX-RP|  
    由公式可以看出,单透镜,为了校正象散,需产生足够的衍生象散,抵消掉本征象散。因此,此类单透镜,必须具备一定的球差和彗差。假如球差和彗差接近0,那么,2Q.CC + Q2TSC也将趋近于0,将无法产生衍生象散,即:通过光阑的移动,改变Q值的大小,仍然无法衍生出足够的、合适的衍生象散,补偿掉本证象散,实现像面的平直。图6c)中的平凸透镜,无论如何移动光阑,均无法实现象散的校正,原因就在于此。《采用现成光学器件设计光路》中不推荐采用现成的双胶合透镜组组合复杂光路,原因也在于此。 M!D6i5k,   
    ;XQ27,K&  
    风景物镜采用巧妙的方式,以球差和彗差的增大为代价的,仅用一片透镜,通过选取合适的光阑位置,达到了像面弯曲的校正。为了使球差和彗差不至于严重影响到清晰度,只能选择缩小透镜的通光孔径了。通光孔径的缩小,造成了风景物镜需要很长的曝光时间。 8 C9ny}  
    7中两种形式均能实现像面平直。光阑在左侧的形式,透镜弯曲程度较小,球差较小,更有利于提升中心视场的像质。然而,实际中采用的相机结构,是光阑在右侧的形式。光阑在右侧时,相机整体尺寸较小。一个光学产品,最终采用的设计方案,并非一定是像质最好的那个,而是综合考虑各方面,相互妥协的结果。 {9@u:(<X9  
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    子在川上光学,致力于提供专业的光学解决方案及光学设计方法的推广,可提供光学产品研发、生产,以及光学设计、培训、咨询技术服务。 {5fL!`6w  
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    mang2004 光币 +20 开卷有益  谢谢! 2019-08-22
     
    2024年6月28-30日于上海组织线下成像光学设计培训,欢迎报名参加。请关注子在川上光学公众号。详细内容请咨询13661915143(同微信号)
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    离线mang2004
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    只看该作者 1楼 发表于: 2019-08-22
    其实这种简单结构的镜头并没过时,曾给某航天项目作过寻的头,用的就是镜后光阑单片风景,成功。 QxN1N^a0  
    s2GF*{  
    最后一句总结得好。
    离线phoenixzqy
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    只看该作者 2楼 发表于: 2019-09-01
    回 mang2004 的帖子
    mang2004:其实这种简单结构的镜头并没过时,曾给某航天项目作过寻的头,用的就是镜后光阑单片风景,成功。
    最后一句总结得好。 (2019-08-22 00:36)  /\b* oPWJ  
    9\<q =p~  
    是的。这些经典结构,在实际设计和解决问题时,用处很大。 Z#-N$%^F  
    在学习光学设计理论和查阅专利掌握各经典镜头光学特性时,其实看过去没有软件介入之前的设计,效果更好。
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    只看该作者 3楼 发表于: 2019-09-11
    欢迎交流。。。。。
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    只看该作者 4楼 发表于: 2020-01-17
    讲的很好,直指光学系统设计核心,太好了
    离线zycxjl
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    只看该作者 5楼 发表于: 2020-04-01
    看起来不错,好东西。多谢。
    离线xiaoha
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    只看该作者 6楼 发表于: 2020-11-14
    值得学习 非常详细
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    只看该作者 7楼 发表于: 2022-03-26
    受益了
    离线周莹
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    只看该作者 8楼 发表于: 2022-04-06
    学习一下呢
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    受教了