• RSS订阅 加入收藏  设为首页
光学设计

光学软件里的渐晕

时间:2022/1/29 14:07:29   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:84   评论:0
内容摘要:光学镜头里,允许通过的光束大小由孔径光阑(ApertureSTOP)决定。如果除了光学被除了孔径光阑之外的光学元件遮挡,从而到不了像面,我们就说发生了渐晕(Vignetting)。渐晕的好处是可以挡掉部分光线,这些光线都在系统的边缘,往往是像差最严重的,这样可以有效地提升成像治疗,同时也可以减小镜片尺寸。渐晕带来的问题...
光学镜头里,允许通过的光束大小由孔径光阑(Aperture STOP)决定。
光学软件里的渐晕

如果除了光学被除了孔径光阑之外的光学元件遮挡,从而到不了像面,我们就说发生了渐晕(Vignetting)。
光学软件里的渐晕



渐晕的好处是可以挡掉部分光线,这些光线都在系统的边缘,往往是像差最严重的,这样可以有效地提升成像治疗,同时也可以减小镜片尺寸。渐晕带来的问题显然就是边缘视场通过的光线数变少,即能量变少照度变低。

 

简单回顾一下渐晕的定义之后,我们来进入主题:光学软件中的设置渐晕(Set Vignetting)是怎么一回事。

在Zemax里点一下设置渐晕之后,我们看到的是这个样子:
光学软件里的渐晕



通过了一些“渐晕系数”的操作,系统变得只去追踪那些能通过整个系统的光线了,而从一开始就扔掉了那些会被截断的光线。

 

这是怎么做到的?有什么好处?有什么风险?我们一个个来回答。

不过我们先来规范一下术语:我们说光线“被渐晕了”,指的是光线被遮挡,无法从物方追迹到像方。我们说“设置渐晕”指的是在光学软件中使用“设置渐晕”功能,从而改变了追踪光线的范围。

 

怎么做到的?
光学软件里的渐晕



看这个图,蓝色虚线是上图被缩小的那片镜片原始的大小,蓝色实线是缩小后的实际镜片大小,红色虚线围起来是最大视场在未渐晕前在镜片上的“足迹”(为何是个椭圆,就留给读者自己思考了)。当发生渐晕后,实际的光斑显然是蓝色实线和红色虚线包围的这一块区域,不是一个规则图形。

光学软件会用一个椭圆来拟合这个区域,也就是上图的红色实线。光学软件会只追踪这个椭圆内的光线。

主流光学软件Zemax是通过VCX、VCY来缩放光瞳,并且通过VDX、VDY来平移光瞳。缩放加平移,一定可以把原来的椭圆形的通光区域变换到拟合的区域。
光学软件里的渐晕



而另一款主流光学软件Code V,是直接指定了拟合成椭圆通光区域的上下左右四条光线的位置。
光学软件里的渐晕



虽然渐晕系数的定义不同,但本质上Zemax与Code V这两种方式没有太大区别。

 

那这样做的好处是什么?

很简单,节省计算力。存在渐晕之后,系统实际通过的光束变小,设置了渐晕就不需要追踪那么多的光线了,这对于光学软件刚开始发展的那个年代而言,是非常重要的。另外,如果熟悉Zemax优化时候的光线采样方案,那么会知道一个叫做高斯求积(Gaussian Quadrature)的东西,这个采样算法可以有效降低光线采样数,但只对椭圆(圆)形孔径有效。通过设置渐晕拟合了椭圆通光孔径也是保证了高斯求积的有效性。所以在优化镜头的过程中,使用设置渐晕是很有必要的。

 

那设置渐晕有什么风险呢?

当然是计算准确性的问题。由于设置渐晕的时候用了椭圆来拟合非椭圆的通光区域,那么计算结果一定是有误差的,不论是点列图,还是MTF。

还有一个更深入的问题,那就是“主光线”的选取。主光线原则上是某个视场中心的那根光线,是要通过孔径光阑中心点的。有很多光学性能指标,都是以主光线来定义,譬如,畸变、CRA(像面入射角)等。

光学软件中,设置渐晕之后,通光区域进行了缩放和平移,所以主光线就变成了拟合后椭圆的中心光线。这和原来的主光线即通过孔径光阑中央的那根光线显然不同,也会导致一些分析曲线在设置渐晕前后发生变化。

对于带有渐晕的系统要分析参考主光线的数据时要想清楚是按照哪根光线来分析的——设置渐晕前的主光线、设置渐晕后的中心光线、实际通过区域的质心位置?

 

如果要规避上述椭圆通光区域拟合带来的不准确,强烈建议分析镜头实际性能的时候:

固定镜片的孔径尺寸之后,清除渐晕系数,再来分析。

至于主光线的问题,还是上面说的,想清楚要按照哪根光线来定义。谨慎起见,自己写个macro来做计算,也不算难的。

 

(好在如果我们假设光学系统的渐晕程度不是太夸张,且成像质量比较好,那么关于渐晕的操作是否正确设置,其结果都不会偏差太大……)

标签:光学 软件 里的 











 




出处:正势利工作室

网址:http://www.zhengshili.com 正势利 转载时请注明出处和网址

作者QQ及微信:49922779 点击这里给我发消息

相关评论
QQ交流群:120100441    QQ客服:49922779 闽ICP备01008686号