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
[8V;Q 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。 b,!C8rJ 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。 g[xoS\d 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。
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图1、采用风景物镜的相机
d0J/"< 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。
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图2、清朝照片
@N'n>8Wn 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。 _[:6.oNjIe 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。
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图3、风景物镜光路结构(实际中使用的风景物镜光阑在右侧)
{i;,Io7W 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。
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图4、普通单片正透镜(像面弯曲严重)
pwSgFc$z 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。 f-U zFlU 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? K)SWM3r 这段话,漏掉了一个重要的限定条件:“光阑在薄透镜上。” p.8 bX 首先,透镜很薄,不是厚透镜;其次,光阑固定不变。 +IZ=E
>a 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)。
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图5、光阑位置与像高关系图
DYX{v`>f^ 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? HcRw9,I' 理论公式太枯燥,且晦涩难懂,我们先根据图表讲解。 7w
)?s@CD 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B和D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。 (3e.q'
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B或D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。 l5z//E}W 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。
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图6、不同弯曲形式透镜的光阑位置与像高关系图
Jv~R/qaaD 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。 .jRI
$vm 如图7示的两种形式,均可获得子午相面内像面的平直。图7、获得场曲平直的两种结构形式
KGt: 通过以上分析,可知:风景物镜,通过弯曲透镜形状和调节光阑位置两个途径的结合,最终获得了子午面内平直的像面。 }i9:k kfq2 N2:Hdu: 那么,这其中包含的光学设计原理是什么呢? y_PA9#v7 为什么有些弯曲形式的透镜通过光阑位置的选取,可以使象散和场曲得到校正?比如图6中的(a)、(e);为什么有些弯曲形式的透镜,光阑位置变化,对象面弯曲几乎没有影响呢?比如图6中的(c)。(图6C透镜,不论光阑位置如何移动,都无法得到稳定的像高,大视场光线一直在像面左侧汇聚,类似于图4中普通单透镜的光线汇聚形式。) 1$cl "d`~ NKY|Z\ 为了把这个原理讲清楚,要引入两个概念: _z p<en[ 1、本征像差; rrIyZ@_d9 2、衍生像差。 *qpFtBg 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。
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图8、主光线与透镜交点高度
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