從風景物鏡（Landscape Lens）談起
— — 像差常用校正方法之透鏡彎曲與光闌移動
p%M(G#gOgP 簡述：以簡單的風景物鏡為例，詳細分析透鏡彎曲和光闌位置對像差校正的影響，簡要說明實際設(shè)計中各像差之間的取舍,光學設(shè)計與最終產(chǎn)品設(shè)計之間的妥協(xié)。 94>7-d 風景物鏡（Landscape Lens），并非只是拍攝風景的物鏡，在光學設(shè)計領(lǐng)域，是對一種典型鏡頭結(jié)構(gòu)的特指。 %y^ Kw 采用風景物鏡的相機，體積較大，笨重，大概就是圖1中的樣子。
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圖1、采用風景物鏡的相機
Lu$:,^ C 使用風景物鏡拍攝照片時，需要的曝光時間很長，被拍攝者要正襟危坐。有時還要搞一個鎂光燈，鎂劇烈燃燒，發(fā)出強光的同時，冒一團煙……這些場景，在電影里經(jīng)常能夠看到。
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圖2、清朝照片
,~6 8~_) 如圖3示，風景物鏡的光路結(jié)構(gòu)很簡單，最簡單的就一片透鏡。 xBx ?>nN 風景物鏡，是一種大視場小孔徑系統(tǒng)。因為相對孔徑較小，單位時間內(nèi)進光量少，因此需要的曝光時間很長。風景物鏡還有一個特點：像面平直，觀察圖3中光路，即可看出：在子午面內(nèi)，像面是平直的，大視場光線良好的匯聚在了底片所處位置。
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圖3、風景物鏡光路結(jié)構(gòu)（實際中使用的風景物鏡光闌在右側(cè)）
bKTwG@{/k 如圖4示，普通單正透鏡，像面彎曲嚴重。大視場光線在像面左側(cè)較遠位置匯聚。在像面處光線發(fā)散，將形成了一個很大的彌散斑。
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圖4、普通單片正透鏡（像面彎曲嚴重）
Gm?"7R . 風景物鏡雖然是依靠經(jīng)驗、而不是理論計算設(shè)計出的鏡頭，但是，其中包含了很多光學設(shè)計的原理，以及對光學原理的巧妙應(yīng)用。 oY#XWe8Om 在學習像差理論時，光學設(shè)計書籍上會講到：“正（負）透鏡焦距和玻璃材料固定時，匹茲伐和與像面彎曲幾乎是恒定的；正透鏡場曲曲線向左彎曲，負透鏡場曲曲線向右彎曲�！�那么，為什么風景物鏡，僅僅采用一個單正透鏡，其像面可以校正為平直的呢？ t)kr/Z*p\ 這段話，漏掉了一個重要的限定條件：“光闌在薄透鏡上。” EPUJa~4 首先，透鏡很薄，不是厚透鏡；其次，光闌固定不變。 >!ZyykAs 有了這個條件的限制，一個正透鏡，在不修改材料的情況下，不論如何彎曲透鏡，最終獲得的像面，總是彎曲的，而且彎曲幅度變化不大，不可能變得平直。（對此結(jié)論有懷疑的，可以追跡下第一、第二近軸光線，計算下初級像差；或者直接在光學設(shè)計軟件里修改透鏡彎曲，查看場曲曲線）。
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圖5、光闌位置與像高關(guān)系圖
E4fvYV_ra 那么，風景物鏡到底是如何在子午面內(nèi)，獲得平直的像面的呢？ !*QA;*e 理論公式太枯燥，且晦澀難懂，我們先根據(jù)圖表講解。 0O 9
Lg} 如圖5，圖中，橫坐標L為光闌位置；縱坐標H'為主光線在像面上的入射高度。從圖中曲線可以看出，在B和D附近，出現(xiàn)極值點。當光闌在B附近或者D附近移動時，像高在一個較小的移動區(qū)間內(nèi)，不發(fā)生變化。 ^O\1 v 這個位置，就是我們要尋找的放置光闌的位置。根據(jù)曲線走向，可以預(yù)判出：光闌放置在B或D附近，子午面內(nèi)的場曲曲線將趨于平直，從而獲得較平的像面。 J ,2v~Dq 為了獲取接近最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，我們可以多繪制幾幅與圖5類似的光闌位置與像高關(guān)系圖。如圖6示。
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圖6、不同彎曲形式透鏡的光闌位置與像高關(guān)系圖
b*%WAVt 2T 通過觀察，圖6中（a）和（e）出現(xiàn)了能使像面平直的光闌位置點。 <k8rSx n{ 如圖7示的兩種形式，均可獲得子午相面內(nèi)像面的平直。圖7、獲得場曲平直的兩種結(jié)構(gòu)形式
|Z)/ 通過以上分析，可知：風景物鏡，通過彎曲透鏡形狀和調(diào)節(jié)光闌位置兩個途徑的結(jié)合，最終獲得了子午面內(nèi)平直的像面。 "i5AAP?_]{ uX 5B>32 那么，這其中包含的光學設(shè)計原理是什么呢？ LAjw!QB 為什么有些彎曲形式的透鏡通過光闌位置的選取，可以使象散和場曲得到校正？比如圖6中的（a）、（e）；為什么有些彎曲形式的透鏡，光闌位置變化，對象面彎曲幾乎沒有影響呢？比如圖6中的（c）。（圖6C透鏡，不論光闌位置如何移動，都無法得到穩(wěn)定的像高，大視場光線一直在像面左側(cè)匯聚，類似于圖4中普通單透鏡的光線匯聚形式。） < 8}9s9Nk &I">{J< 為了把這個原理講清楚，要引入兩個概念： ^ZZ@!Udy 1、本征像差； ="PywZ 2、衍生像差。 gZuR4Ti 以象散為例，可分為本征象散和衍生象散。本征象散只和透鏡的折射率與光焦度有關(guān)，也就是說，透鏡的焦距固定、材料選定之后，本征象散基本固定不變。而衍生象散，顧名思義，是由其他像差衍生而來的。此處的其他像差為：球差和彗差。如何衍生、以何種方式衍生呢？簡單來說，衍生方式為調(diào)整光闌位置，改變大視場主光線在透鏡上的入射高度，使球差和彗差衍生出數(shù)值不同的衍生象散。
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