锥光镜头的详细解析与案例文件

2020-11-02 23:29发布

经原作者授权发表


锥光镜头的设计指标详见以下网页:

https://www.optkt.cn/problem/info/177.html


按照专业组的设计要求为优化目标。

指标中要求物距从无穷远到0.2m,但该过程需要设置多重结构,为提升前期的优化速度,暂时使用无穷远物距设计。

软件工具为Synopsys&zemax



长文预警目录


1 初步设计

2 像差校正总结

  2.1、锥光镜头最为迫切需要校正的像差是场曲。

  2.2、“正+正+正+消色差双胶合”的透镜组合是锥光镜头前组性价比,较为合适的一种形式。

  2.3、镜头中长的空气间隔的作用除了场曲校正还有就是增加像差校正的自由度。

3 镜头构架改进的可能性

4 关于不同物距的对焦

  4.1、像面处不同视场主光线斜率尽量单调且为负或者接近远心。

  4.2、场曲校正一方面需要增加“腰肚”结构,另一方面是使用折射率更高的材质做正透镜,折射率更低的做负透镜。








初步设计

使用Synopsys的大致设计思路是先随意构造初始结构,然后使用AEI不断增加透镜,在增加透镜的过程中根据自己的理解手动删除部分透镜或者是用ADI删除。

镜头结构轮廓变化及大致说明如下:

图1:随意搭建的18 LENS结构

图2:在图1基础上模拟退火及局部优化

表面编号为32的透镜与34的透镜材质均为(1.90,38.5),而且同为形状相近的正弯月透镜,所起作用相近,猜测有一个透镜大概率是多余的,故直接删除表面34对应的透镜,优化得到图3。

图3:在图2基础上删除表面34对应的透镜后模拟退火及局部优化

图4:在图3基础上连续使用AEI,透镜增加到21pcs,并将半径相近的表面胶合

图5:在图4基础上使用AEI,透镜数量22,在图5的表面34处得到新增的透镜,并胶合

仔细观察图5,表面26~35为连续的三个胶合透镜,其中还包括一个色差及二级光谱校正能力极好的三胶合透镜,这对于色差校正来说明显是一种冗余。胶合透镜的分布过于集中了。Synopsys新增的透镜落在此处,一个重要原因当然是因为可以提升指标,但是这种指标的提升明显是有限的,形同鸡肋,聊胜于无。

但不能说软件短视,AEI效果的好坏与优化次数、边界条件的限制、设计者的干涉都有关系。AEI更容易找到一个舒适区,一个在现有基础上稍有增益的舒适区,毕竟大的架构调整和透镜组合并不能在局部优化中轻松完成,Synopsys做起来有难度,zemax和CODE V同样不轻松。

这或许是光学设计者得以幸存的曙光。

图6:在图5中手动删除表面26和表面34对应的透镜,并优化得到图6架构

图7:使用AEI新增透镜于图7的表面26处

图7中,三胶合透镜强势回归,或许是命中注定。这当是“奉为圭臬”的透镜。

图8:在图7基础上连续使用AEI,透镜数量24

图9:在图8基础上模拟退火

图10:图9中,表面11和表面12对应的透镜材质相近,故并成一个透镜

图10中再手动将表面11对应的厚透镜分裂成两个单透镜,并增加透镜的中心和边缘厚度,使之具备实际加工的可能,同时控制透镜口径在84mm以内,然后优化。优化时,将透镜替换为实际材质过程中,图10表面37对应的负透镜光焦度逐渐变弱,故直接删去,得到图11。

图11:23 LENS实际玻璃材质

手动分裂表面11对应的厚透镜背后的考量:

1、从以上软件增加透镜的过程来看,起到较为明显的像质提升作用的透镜主要集中于镜头的中后端,前端镜片布局基本上没有大的变化。所以再继续AEI或者ADI下去大概率还是对中后端的改造,很难修改前端的布局;

2、AEI新增透镜时,一般是从平板开始,逐步增加厚度,弯曲。但是在优化步数有限的情况下,新增的透镜很难生长成一个强光焦度的镜片;

3、从优化过程来看,场曲是限制该镜头像质提升的关键,如果把图10中的表面11对应的透镜分裂成“正透镜+负透镜”的组合,那么该正透镜可以与表面9对应的负透镜可以形成一组场曲校正的匹配。表面2~表面8对应的4个正透镜不仅可以把±75°的光线收聚成近似的平行光出射,也有能力再将平行光收拢会聚,在表面9对应的负透镜上形成相对低的光线高度,光线经过该负透镜后,开始发散,刚好其后分裂的正透镜可以处于相对高的光线高度,这是其可以用于场曲校正的一种方式。另外一个不容易观察到的情况是,图10表面13对应的厚弯月透镜演化成了图11中表面15对应的双凹负透镜,这是因为横空出世的表面11对应的透镜引入了大量的正光焦度,为保持系统组合焦距不变,必须同时增加某些负透镜的光焦度。承担这个任务的透镜是图10中表面9和表面13对应的负透镜,前者由弯月透镜变成近似的平凹透镜,后者则由厚弯月透镜变成双凹负透镜,恰好这几个负光焦度表面均位于较低的光线高度,再次为场曲的校正增加了筹码。

图11中,如果查看中间视场的话,可以发现,某些透镜表面上的光学通光口径其实比全视场的还要大,比如图12中的表面21和23。

Synopsys绘图时,透镜的边缘口径可能是由中心视场和边缘视场的光线指定的,会自动忽略其他视场。这样导致的一个后果是镜筒口径远超90mm的规格值。

图12:中间视场需要的光学口径在某些透镜上比全视场还大

为了更精准地优化,将Synopsys文件转换成zemax文件,再适当优化,得到图13。MTF如图14所示。除0.2m物距外,其他指标基本满足要求。透镜材料并未做严格管控,个别选择了模压材料。

【最小波长规格要求是400nm,但由于软件或材质原因,最小波长只能设定在405nm】

图13:23 LENS LAYOUT

图14:图13结构对应的MTF


像差校正总结

下面根据图13展示的LAYOUT图以及优化过程,像差校正总结为以下3点:


1、锥光镜头最为迫切需要校正的像差是场曲。

图15:光束在各个透镜表面的高度分布

图16:某款光刻物镜的外形图

图15是光束在各个透镜表面上的高度分布。主要特征是具有4个“低-高-低”的“腰肚”结构,如图15中①~④所示。


镜头中场曲校正所采用的方式共有两种:

A、正负光焦度分离,并使得正光焦度处具有高的光线高度,负光焦度处具有低的光线高度。

B、采用新胶合透镜。


A中所述场曲的校正手法在在外观上的表现就是①~④的“腰肚”结构,凹陷为“腰”,凸起为“肚”。使用“腰肚”结构来实现场曲校正的这种方案首先是由Glatzel在1980年针对光刻物镜明确提出的。图16为某款光刻物镜的外形图。光刻物镜一般为单“腰”或者双“腰”结构,但该锥光镜头有四“腰”。当然,并没有一个视场完整走完这个四“腰”,单个视场一般是双“腰”或者三“腰”。

B中的新胶合透镜指的是在编号为④的“腰肚”结构中的双胶合透镜。新胶合透镜的定义见贴子《双胶合透镜的形式及像差校正原理》。双胶合透镜的主要且常用功能有两个,一是校正色差或二级光谱,二是利用胶合面产生高级像差。胶合透镜用于场曲校正效果有限,为了微弱的效果,使用两个镜片胶合在一起显然是一种浪费行为,但即便浪费,Synopsys和zemax依然视此为局部最优解,该镜头对场曲校正的迫切性在此可见一斑。


那有没有可能是为了胶合面的高级像差呢?但在此处,胶合面半径很大,光线入射角度一般,显然与高级像差无缘。



2、“正+正+正+消色差双胶合”的透镜组合是锥光镜头前组性价比,较为合适的一种形式。

如图17所示。

图17:锥光镜头前组


锥光镜头本质上要求前后组分别成清晰像,这样有利于提高镜头的兼容性。但是镜头前组的成像面,即中间像面,在没有非球面透镜的情况下,像质要达到衍射极限是非常困难的。如果不考虑中间像面的像质,前组透镜的主要任务就是将±75°的视场角逐步减小,直至光束接近远心,而不必过于关注像质。

将±75°的视场角减少到0°左右,从光学扩展量的角度来看,一定是需要增大光束口径的,光束口径的增加便意味着与孔径相关的像差的同步增加,比如球差、彗差和像散。要尽量减少像差并使用强的正光焦度透镜来承担光线偏角,最佳选择莫过于连续使用高折射率低色散的正弯月透镜。前三个透镜,单正透镜几乎是唯一的选择。胶合透镜并不适合出现在前两个甚至是前三个透镜中,因为弱光焦度是所有胶合透镜的短板。这就意味着胶合透镜无法承担大的光线偏角,同时会占用宝贵的轴向空间资源。轴向距离拉得越开,光束口径越大,需要校正的像差的量级就越大。

连续使用的正透镜就如棱镜一般具有强烈的色散作用,色差是前组面临的又一巨大挑战。策略应该是使用低色散的材质以少产生色差,再使用一个双胶合透镜辅以校正色差。但这里有一个矛盾,因为不存在折射率非常高,色散又很低的材质。这就存在一个像差平衡,使用相对高折射率,相对低色散的材质,或者一个透镜折射率很高,色散也很高,另一个透镜折射率相对低,但色散更低。从实际优化的情况来看,这几个正透镜最后都拒绝了高色散材质。

不同的系统架构可能会有不同的选择,不光色差,还有光焦度,大概率都是前后组像差互相补偿的。像差互相补偿的情况下,Nd和Vd的选择就不太好判断了。不过一般来说,色差是需要在产生的根源处就要及时校正的。如果镜头很长,镜片数量很多,色差则需要分段校正,每一段几乎都是独立校正。否则,前一个透镜的剩余色差传入到后面的光学系统,就会产生衍生色差,透镜的本征色差加上来自前组的衍生色差,量级如果比较大,后面的校正工作就会举步维艰。

如果胶合透镜的作用只是校正色差,那么把胶合透镜翻转,负透镜朝左是否可以呢?一般情况下是应该尝试这种做法的,尤其是胶合透镜是双凸或者双凹的外形时。

但在这里,不建议。

单从色差校正的角度来考虑,翻转胶合透镜是没有影响的,但胶合面弯曲的方向会影响到彗差、像散等单色像差的校正。结合到目前的实际情况,如果胶合透镜的负透镜朝左,那么光焦度的排布就是“正+正+正+负+正”,而原先是“正+正+正+正+负”。原先的方案显然更有利于分担视场角的偏角,况且,翻转后胶合面背向光阑,明显容易引入高级像差。


3、镜头中长的空气间隔的作用除了场曲校正还有就是增加像差校正的自由度。

如果系统长度没有特别限制,很多镜头都会有一段长长的空气间隔。作为空气,本身是没有像差校正能力的,但是具体到实际镜头中,再结合到光路的走向,空气就不再是可有可无的存在。长的空气间隔所对应的光束一般是喇叭形,一边宽一边窄,中继系统类型的除外。一般来说,这样的空气间隔有三个常见作用:

A、当喇叭形光束需要爬升或者下降到一定高度的时候,空气间隔越长,光束的锥角或者说数值孔径就越小。光线的斜率就越平缓,这样光线在透镜表面的入射角度就不会太大,就可以少产生高级像差。这是一种用空间来换性能的做法。

B、喇叭形光束大的一头一般是正光焦度,小的一头则为负光焦度,显然有利于场曲的校正。

C、在这个镜头中,不同视场的光束经过长的空气距离之后可以打在下一个透镜表面的不同孔径带,而具体打在哪个孔径带,软件是可以通过空气间隔的长度或者透镜半径优化微调的,这就可以使得同一个镜头架构可以获得对不同视场因地制宜对症下药的效果。因为在不同孔径带入射意味着可以获得不一样的光线入射角度以及偏折能力。这其实变相地增加了系统不同视场像差校正的自由度。类似于多重结构。

同一光线打在不同孔径带作用效果不同,其主要原因是同一个透镜不同的孔径带对光线的偏折能力是有差异的。以双凸正透镜为例,一束细的平行光入射,孔径边缘的光束在光轴上的会聚点会比小孔径光束要更靠近透镜。这种现象在光学上称之为球差。说起像差,大家可能会深恶痛绝,但不妨从透镜对光线偏折能力的差异这个角度来思考这种现象在实际系统中的有益应用。

孔径边缘的光束在光轴上的会聚点会比小孔径光束要更靠近透镜,意味着同一个透镜对不同孔径带的平行光束具有不同的偏折能力。同样以正光焦度透镜为例,某个透镜的光焦度是φ,这个φ是相对轴上而言的,但是越往孔径边缘,透镜的偏折能力越强,则在该透镜的边缘,可能有1.2φ。

假设在该双凸透镜后面有一个双凹透镜,双凹透镜轴上光焦度为-1.5φ,但是边缘孔径有-1.7φ,为计算方便,再假设这两个透镜的间隔为0,那么组合后,轴上光焦度为φ-1.5φ=-0.5φ,孔径边缘的组合光焦度为1.2φ-1.7φ=-0.5φ。这样组合之后,虽然轴上和边缘光焦度总的值都是-0.5φ,但是轴上光束和孔径边缘光束在这两个透镜表面的光线角度有着巨大差异。光线角度的差异就会导致初级和高级像差的差异,轴上光线和孔径边缘的光线所携带的像差是不同的。正是这种光线偏折能力和像差差异的存在,才使得同一个光学系统可以运用不同的像差校正策略同时校正不同孔径不同视场的像差。

以上只是针对最简单的细的平行光入射的分析,实际系统更多的是不同孔径的宽光束的斜入射,情况就更为复杂,但是主要趋势都应该是让不同视场的光线占据不同孔径带,尽量减少重叠区域。当然,这个趋势只是对这种现象的一种应用,考虑到其他像差的平衡和空间的限制,实际情况是有概率偏离这里的描述的。



镜头架构改进的可能性

图18

如图18所示,从光线偏折走向和场曲校正来看,图中两处红色方框内的镜片基本没有很大的改善空间,哪怕是分裂透镜,像质也不会有明显的提升。

图中大部分透镜的光焦度都比较强,背后一定是很多高级像差的平衡和综合。如果把透镜分裂来承担光焦度,减小光线角度,降低高级像差的比例,则很容易弄巧成拙。不使用控制面,不利用高级像差,在大视场大孔径的系统中已经是不可能了。


那剩余的三胶合透镜和双胶合透镜可以朝哪些方向改进呢?


三胶合透镜所在的“腰肚”结构③中,缺乏一些对称美,如果三胶合透镜左侧H-ZF52(1.85,23.8)的负透镜可以删除,那么形式上就白璧无瑕了,“腰肚”结构③的光焦度分布就是“负-正-正-正-负”(将双胶合透镜看做是正负单透镜的组合)的完全对称结构。

提出这一操作的另外一个原因是。一般来说,“负-正-负”形式的三胶合透镜,其中的弯月单透镜的偏心和正透镜的厚度都比较敏感,需要尽量避免,所以从公差的角度出发,希望删除弯月透镜。毕竟删除弱光焦度的弯月透镜难度上比删除右侧的双凹负透镜要容易太多。


在Synopsys优化时,三胶合透镜右侧的双胶合透镜其实不是胶合透镜,是人为胶合上去的。保留一点小小的空气间隙,组成一个密接的正负透镜组才是它原本的面貌。双胶合透镜分裂成具有合适空气间隙的双透镜后,能控制高阶球差和色球差,可使得系统获得更大的相对孔径,但是空气间隙两侧的光线入射角会变得非常大,使得两个透镜的对准公差非常紧,同时,两个透镜的光焦度绝对值变得更大,并且负透镜比正透镜增加得更快。

具体地说,为什么小的空气间隙就可以很容易地产生高级像差?外观上看只是增加了一层薄薄的空气而已啊。


这需要回归到折射定律,n1sinθ1=n2sinθ2,为了对比效果,需要假定一个胶合透镜来做对照组,同时假定双分离透镜的小空气间隙两侧的表面半径相等。空气的折射率为1,常用玻璃材质的折射率范围是1.5~1.9。胶合面左右两侧都是玻璃,所以折射率断差n1/n2最大值是1.9/1.5=1.27,但如果透镜表面一侧是玻璃,一侧是空气,那么折射率断差n1/n2就是1.5~1.9,取平均值为1.7。表面上看1.27和1.7差异不大,但是要知道sinθ2=(n1/n2)*sinθ1,当光线角度θ1比较大的时候,θ2会因为(n1/n2)因子的数值差异而产生剧烈的非线性变化,这就意味着同一个入射角度θ1在胶合面中和在空气间隙中引起的θ2差异很大,直接导致θ2引起的非线性高级像差差异也会很大。虽然空气端的θ2在进入到下一个透镜表面之后,在该透镜中的光线角度与胶合透镜中差异不大,但是这根光线所携带的衍生高级像差是胶合透镜光束中所不存在的。同时,光线经过空气间隙之后,进入到下一个玻璃材质,其光线高度会发生一个平移,这导致了两者后续光线路径的不同。这也就是为何某些小空气间隙的透镜胶合后像质会远不及未胶合之前,因为胶合破坏了小空气间隙产生的高级像差,打破了原来系统的像差平衡,而胶合面又无法产生类似的像差来弥补。

人为胶合只是为了避免大的敏感公差以及方便装配。另外,这个双胶合透镜并不能校正色差。所以在三胶合透镜变化的过程中,双胶合透镜可能拆分开来更为合适。

这个架构还有一个问题,最大光学口径为98mm,超过了题目中的包含镜筒在内不超过90mm的要求。当然,使用操作数自然是可以将98mm口径逐步压缩到85mm左右(镜筒留5mm左右空间)。


针对三胶合透镜和双胶合透镜的问题,可以同时采用两种方案:一种是保持三胶合透镜不变,双胶合透镜分裂;另一种是三胶合透镜简化为双胶合透镜,现有的双胶合透镜同时分裂。

图19是方案1的执行。将双胶合透镜拆分,优化的过程中将胶合透镜的正透镜逐步删掉,同时将98mm的口径压缩到85mm左右。图19中整个镜头前半部分有以下大的变化:

A、透镜①的材质由图13的H-FK61(1.50,81.6)低折射率高阿贝数材质变化为H-ZLAF50D(1.80,46.6)高折射率相对高阿贝数的材质,这可以增强该透镜正光焦度表面的场曲校正能力,同时光束在该透镜上的高度也比图13的结构要高。

B、透镜②由H-BAK1(1.53,60.5)变成H-FK61(1.50,81.6)。透镜②其实可以与其左侧的负透镜H-ZF52(1.85,23.8)组合而具有消色差功能。虽然两者是分离的,但依然具有色差校正作用,只是间隔的拉开,从像差理论来说二级光谱会增大。此处的处理方式是使得单正透镜②具有特殊的相对色散系数,H-FK61的dPgF为0.0286,远比H-BAK1的0.0002要大。故这里是用了特殊相对色散系数的透镜补偿二级光谱的劣势,同时获得更强的消色差能力。

C、透镜③的材质由H-ZLAF50D(1.80,46.6)变成H-ZLAF4LA(1.91,35.3),负光焦度表面半径增大,光焦度的绝对值下降,这两项的改变同样是为了提升场曲校正能力。

图19:22LENS,保持三胶合透镜,分裂双胶合透镜

图20:图19结构对应的MTF

图21是方案2的执行。逐步将三胶合透镜中的弯月透镜删除,同时分裂双胶合透镜。主要的变化有以下三个:

A、双胶合透镜的正透镜逐渐变成承担场曲校正的一部分,具有更高的光线高度;

B、后组原先的单正透镜(图中红色框标识)光焦度减小,成为一个弱的正光焦度透镜,这明显是下一个需要删减的透镜。

C、三胶合透镜中的双凹负透镜材质由原来的H-ZF1(1.65,33.8)变成H-ZF52(1.85,23.8)。显然,在原来的三胶合透镜中,两个胶合面都起着消色差的功能,现在减少为一个胶合面,那就需要提升该胶合面的色差校正能力。从理论上来说,两透镜的Vd差异越大越可以减少正负单透镜各自的光焦度,对像差的减少是有好处的。因此,负透镜的Vd由33.8减少到23.8是正常的。

图21:22LENS,简化三胶合透镜,双胶合透镜分裂

图22:图21结构对应的MTF

图21中,逐渐删减红色框中的弱光焦度透镜,得到图23的结构。

图23结构的像质并未比图21的结构逊色,这就引出一个有意思的问题,图21中被删除的弱光焦度透镜明显是属于透镜分裂的一种情况,透镜分裂是减少高级像差的有效及常用手段,在极其类似的架构中,镜片数量多的,像质上居然还不能略胜一筹,为何?

当然,你可以说图21陷入了一个不太好的局部极小值。这是一个不好证明或者证伪的懒惰的观点。

我们依然可以从像差校正的角度出发,给出一个合理的猜测。

正透镜分裂确实有利于减小大孔径的高级像差,比如球差和彗差,但如果说,这个系统最大的像差不是与孔径相关的像差,那么透镜分裂不见得是好处的,正如这个锥光镜头。我们尝试从场曲校正的角度来看这个问题。


图21的结构中,软件优化时,红色框透镜的光焦度是比较弱的,这意味着这个区域其实并不需要非常大的正光焦度。根据组合透镜的光焦度计算方式:φ=φ1+φ2-d*φ1*φ2,如果两个正光焦度表面距离越远,即d越大,那么两者的组合光焦度φ将减小,反之,d越小,φ越大。那么在这里,弱光焦度透镜对整体的光焦度贡献其实不大,但是却把左右两个强光焦度表面的距离拉得更远了,这是会降低组合光焦度的做法。换言之,如果没有中间的弱光焦度透镜插足,剩下的两个强光焦度透镜组合后的光焦度未必会比现在差。

当然,如果只是单纯从组合光焦度的大小来说这个事情,还是缺乏说服力的,毕竟弱光焦度透镜的光焦度是可以自由变化的。

再细想,如果两个强光焦度表面靠在一起,更接近光束的最大值的位置,那么这两个表面的光线高度是会有所提升的,更高的光线高度再加上强的正光焦度,这对于场曲的校正才是更有意义的一个举动。

除此之外,删除弱光焦度透镜之后,对增大光线角度是有帮助的,大的光线角度所带来的高级像差或许也是镜头所需的。

图23:21LENS,不含三胶合透镜

图24 图23结构对应的MTF

纵观以上比较成熟的架构,还有一个比较明显的共同点:镜头后组最后的两个透镜一直保持着小的空气间隙。这与希望胶合的那种小空气间隙是有差异的,希望胶合的小空气间隙两侧的表面半径是很接近的,但是此处两侧的半径却相去甚远。

如果可以把正透镜那侧的表面优化成平面,那么装配公差是可以减少很多的,这不失为一种可以产生高级像差、公差容忍度又相对较好的结构。



关于不同物距的对焦

不同物距下的对焦对镜头架构的要求:

1、像面处不同视场主光线斜率尽量单调且为负或者接近远心。

目前镜头在像面处的各视场主光线斜率情况是很复杂的。主光线斜率从轴上的零度逐渐过渡到到中等视场的负值,再从负值回到零度,又从零度增加到正值。

这种主光线斜率正负变化的出现,说明了系统视场之大,像差校正之丧心病狂。系统必须采用类似于离焦的方式来满足目前定焦的需求。

一般非远心镜头在像方主光线的斜率都是由轴上的零度逐渐过渡到视场边缘的负值,斜率随视场变化的曲线是单调的。视场角为±50°的时候应该是近似于这种单调状态的。

这种单调的负斜率有以下两个好处:

A、在像高一定的时候,像方侧透镜的光线高度可以不超过像高,光线高度低意味着与孔径密切相关的球差、彗差、像散都可以控制在比较小的量级。与像方远心的系统相比,后者的光线高度明显大于前者,因此远心系统的像差校正更为困难。

B、边缘的光束锥角明显可以小于轴上。我们假定光束锥角定义为在子午面上在像面处光束的上下边缘光线夹角的正弦值。边缘视场光束锥角小和负斜率绝对值大这两个结合起来,就可以使得不同视场的路径有差异,不同位置处的光束口径、光线角度有差异,这也是增加像差校正自由度的一种方式。长袖善舞,自由度的增加明显是有利于不同视场像差的多带带校正。

回到锥光镜头,目前镜头镜片数量是比较少的,主要原因是各种变量和自由度的匹配几乎接近极限。对于单个物距而言固然是好,但对于需要通过对焦来适应不同物距的指标要求来说或许是致命的打击。

从图23可以看出,轴上视场、中等视场和大视场的的光束口径和路径相差甚远,这意味着不同视场的主要像差矛盾、像差匹配的方式、像差的量级都是有明显差异的,这种差异的过大就意味着几乎没有办法通过单组群移动来实现不同物距的清晰对焦。在对焦这个问题上,这个镜头已经黔驴技穷。

2、场曲校正一方面需要增加“腰肚”结构,另一方面是使用折射率更高的材质做正透镜,折射率更低的做负透镜。

如果说,像面处主光线斜率为负是常态,那这里的边缘视场斜率为正的苦衷是什么?我觉得可能是场曲。

表面上看,像面处主光线角度斜率的正负与场曲风马牛不相及。但不妨深入看看,假如边缘视场主光线为负了,那么按照上面第1点的阐述,像方侧的光线高度和透镜口径都会减小很多,这就使得图15中第④个“腰肚”结构对场曲的校正完全失效。那场曲校正的所有任务只能往镜头前端和中端移动,解决方案一方面是增加“腰肚”结构,另一方面是使用折射率更高的材质做正透镜,折射率更低的做负透镜。这就难免会使用到类似于H-ZLAF92(2.00,28.32)和H-FK95N(1.438,94.58)之类的极端材质。

总而言之,增加不同物距的指标要求后,镜头的设计难度会大大提升,镜片数量和“腰肚”结构也会有所增加,但“腰肚”的特征会变得更不明显,因为需要平衡的像差变得更多,透镜的弯曲、材质的选择也需要考虑孔径像差的影响以及对焦所要求的兼容性。

总而言之,一个可以实用化的锥光镜头还需继续努力,堆料不可避免,但是如何选择对焦组,如何协调不同视场不同物距的像质平衡,这是一个集设计能力、经验和软件技能于一身的挑战。

以上,纯粹是一个投影镜头设计者的一己之见,若有认识上的不合理之处,欢迎指正。



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