摘要

对于首次（甚至是第百次）使用光学设计软件的学生来说，理解软件如何处理镜头系统中的孔径和渐晕是一个常见的挑战。本文讨论了在CODE V中的这些概念。

什么是孔径和渐晕？

孔径（严格来说是“清晰孔径，clear apertures，也可理解为通光孔径”）相对容易理解。清晰孔径就是每个光线可以通过的表面相关的开口。清晰孔径内的光线会继续前进到下一个表面，清晰孔径外的光线则被阻挡。在所有标准成像光学系统中，有一个特别的清晰孔径，通常是唯一限制轴上视场光线通过光学系统的孔径。这个表面被定义为“孔径光阑”（Aperture Stop），或简称“光阑”。对于一些系统，它也是唯一限制离轴视场光束的孔径。

然而，在许多系统中，离轴光线会被其他清晰孔径阻挡，而不仅仅是光阑。考虑图1所示的情况，光阑是唯一剪裁“轴上”光束（以黑色表示）的清晰孔径。然而，对于离轴光束，部分通过光阑的光线会被第一透镜的前表面的清晰孔径阻挡，部分通过光阑的光线会被第三透镜的后表面的清晰孔径阻挡。只有蓝色光线表示的光束到达成像平面，所有红色光线都被阻挡。

这种由光阑以外的清晰孔径阻挡光线的现象称为渐晕。有时渐晕是不希望出现的，因为它会减少到达成像（传感器位置）的光量。但它经常被故意用来改善镜头的离轴性能，通过阻挡像差光线或减少整体镜头系统的直径来实现。

在CODE V中，每个视场点都有四个与之相关的“渐晕因子”（在Lens > System Data菜单，Fields/Vignetting页面；+Y或VUY；-Y或VLY；+X或VUX；和-X或VLX）。图2显示了CODE V中包含渐晕因子表的Fields/Vignetting窗口。

这些因子以及光瞳（Lens > System Data菜单，Pupil页面）定义了进入光学系统的光束的限制。重要的是要理解这些“渐晕因子”不仅用于模拟清晰孔径剪裁光束，还用于模拟“光瞳像差”。

在CODE V中，渐晕因子应用于一个特殊位置，称为入瞳（Entrance Pupil）（这是当你通过任何在其前面的镜头看光阑时，光阑看起来的位置）。由于镜头会引起像差，一个没有渐晕的入瞳定义可能无法完全填满实际的光阑（或者可能过度填充）。在CODE V中，如果在光学系统内定义了光阑，渐晕因子会调整入瞳的光束，以考虑清晰孔径剪裁和光瞳像差。图3显示了鱼眼镜头入瞳的变化外观。

当将镜头处方信息输入到CODE V时，有时你知道清晰孔径，但通常你只知道（或可以估算）离轴渐晕。在专利镜头文件中，特别常见的是只有有限的清晰孔径和/或渐晕因子信息。无论你有什么信息或可以推断的信息，CODE V都有工具可以根据清晰孔径设置渐晕因子，反之亦然。保持渐晕因子和清晰孔径规范一致是很重要的。大多数分析功能使用清晰孔径来限制光束（但使用渐晕因子来确定合理的默认清晰孔径）。其他CODE V功能，尤其是优化，使用光瞳和渐晕因子定义入射光束的大小。这是一个有用的默认设置，因为保持特定光瞳规范和渐晕所需的清晰孔径会在系统优化过程中发生变化。

专利镜头示例

为了说明这些概念，我们将使用来自CODE V专利镜头数据库的镜头。US 1,987,878（或02448）是一个具有28度半视场的f/4.5三合会。有效焦距（EFL）为1（专利中常见），但可以轻松缩放至50 mm。专利文件不包括清晰孔径或渐晕信息。它只定义了f/4.5的光瞳，并指出了光阑表面位置。

当你从CODE V数据库加载这个专利镜头时，你会看到为离轴视场定义了非零渐晕信息（图4）。这些值从何而来？

答案是这些值是对减少像差并使镜头边缘厚度合理所需离轴渐晕的估计。通常由光学设计师来做出这个确定。

图5显示了原始专利镜头处方中设置为零的渐晕因子的镜头布局、横向光线像差曲线和点斑尺寸。

你可以看到前镜片太薄，无法足够大地允许所有离轴光束通过。从横向光线像差曲线可以看到，光瞳的-Y侧对两个离轴视场有显著的像差。此外，如果放大光阑区域（图6），你会看到当渐晕因子设置为零时，离轴光线不会填充第三视场的光阑，而光瞳底部的光线略微超出第二视场的光阑。在CODE V中，零渐晕因子表示旁轴入瞳被精确填充，因此未填充/过度填充光阑表明该系统具有光瞳像差。

如果我们重新应用图4中估计的设计渐晕因子，可以看到图7中离轴光线不再超出第一镜片的边缘，离轴光束中最显著的像差部分被消除/减少，RMS和100%点尺寸显著减小。轴上性能没有变化，因为轴上没有渐晕。

CODE V根据光瞳和渐晕因子自动计算隐含（默认）清晰孔径。这些显示在Lens Data Manager (LDM) 电子表格的Y半孔径列中，灰色背景（带有圆形符号）。

如果镜头经过优化，这些默认清晰孔径可能会改变，但它们将保持与光瞳规范和渐晕因子一致。这就是CODE V在优化过程中使用渐晕因子控制光束大小的默认行为的好处，即使在最终所需的清晰孔径尺寸未知之前。

重要的是要理解，近似的渐晕因子可能无法基于为该镜头计算的默认孔径精确实现，尤其是涉及多个离轴视场时。图7中显示，光孔剪裁导致的渐晕是由镜头处方中表面1和表面7上的孔径引起的。在图9中，我们可以通过右键单击半孔径单元格，选择更改为圆形孔径，然后选择Lens > Calculate > Set Vignetting Data菜单，将这些转换为显式、居中的圆形清晰孔径，以重置渐晕因子，使它们与这些两个显式清晰孔径（以及基于视场1光束默认大小的光阑清晰孔径）一致。

你可以看到基于定义在表面1和表面7上的实际孔径的实际渐晕与专利的近似渐晕因子相匹配。然而，实际值（略有）不同。小的负渐晕因子是该镜头中存在某些光瞳像差的另一个指示。对于没有光瞳像差且光阑仅通过轴上光束的系统，离轴渐晕因子将始终为正值。

尽管如此，原始近似渐晕因子非常接近“实际”渐晕值。每个因子的差异小于0.005，这表明尽管使用的是估计值，但该系统的像差和成像性能将大致保持不变（或在任何情况下，都在大多数制造公差范围内）。

结论

通过定义近似的渐晕因子，可以快速确定镜头系统的大致像差和成像性能。当实际孔径和渐晕值定义时，CODE V可自动优化和调整镜头系统，以达到最优性能。这种方法有助于设计师在早期阶段快速评估系统，并在后期阶段进行更精确的调整。