光学渐晕详解：定义、影响及ZEMAX中的设置方法

光学渐晕详解：定义、影响及ZEMAX中的设置方法

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_72753242/article/details/143403802

渐晕（Vignetting）是光学系统中常见的现象，它会导致图像边缘亮度降低，影响成像质量。本文详细介绍了渐晕的定义、产生原因、影响以及在ZEMAX软件中的设置和检测方法，对于从事光学设计、摄影或相关领域的读者具有较高的参考价值。

一、什么是渐晕

渐晕现象（Vignetting）是指在成像系统中，由于光学元件或系统的物理限制，导致图像边缘或角落的亮度低于中心区域的现象。这种现象通常表现为图像边缘的光强逐渐减少，形成一个从中心到边缘亮度递减的过渡区域，有时也被称为“光晕”或“暗角”。

例如光学镜头里，允许通过的光束大小由孔径光阑（Aperture STOP）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）。

二、产生渐晕的情况

1. 在相机镜头或其他成像系统中，光圈（Aperture）或光阑（Diakragm）限制了通过的光束大小，当光束的边缘部分被遮挡时，就会产生渐晕。
2. 镜头的边缘部分可能会吸收或散射更多的光线，导致边缘区域的光线强度降低。
3. 成像传感器周围的遮光材料可能会阻挡部分光线，造成渐晕。
4. 某些镜头畸变，如桶形畸变或枕形畸变，也可能影响图像边缘的亮度。
5. 成像传感器或胶片的尺寸可能小于镜头的成像圈，导致边缘部分的光线无法到达成像平面。

三、渐晕的影响

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质量，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。

渐晕现象在光学设计和摄影中可能带来一些不利影响，主要包括：

1. 降低边缘视场的照度：渐晕会导致图像边缘的亮度低于中心区域，这意味着边缘视场通过的光线数变少，即能量变少照度变低。
2. 影响图像均匀性：由于渐晕造成像面上各区域的照度不一致，这会导致图像的亮度和色彩出现不均匀，影响图像的整体视觉效果。
3. 降低视场边缘分辨率：当系统存在渐晕时，视场边缘的光强度逐渐减小且无清晰的边界，因此视场边缘的分辨率也会降低。
4. 模糊不清的视场边界：渐晕会产生模糊不清的视场边界，这在很多光学仪器的设计中是需要避免的，因为它会影响图像的清晰度和细节表现。
5. 影响光学性能：设置不当的渐晕可能会引起实际焦比的变化，这需要根据光学性能的要求来设定渐晕的大小。
6. 相对照度下降：设置渐晕会将一部分光线拦截掉，所以有两个基本作用，一是可以提高边缘成像的质量，二是可以减小光学元件的大小。但需要注意的地方是相对照度会下降。
7. 影响摄影创作：在某些摄影类型中，如风景和建筑摄影，通常希望消除渐晕，以确保整个图像的亮度均匀，否则会影响作品的质量。

对于光学设计中的影响：

好处：

1. 使用渐晕系数进行高效优化；
   在OpticStudio中使用渐晕系数的主要好处之一是其有助于高效地优化渐晕系统。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；高斯求积（Gaussian Quadrature）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。

“OpticStudio使用两种不同的光瞳采样算法进行优化：高斯求积 (GQ) 算法和矩形阵列 (RA) 算法。GQ算法更高效，但此算法不考虑渐晕，该算法假定所有入射光线都能到达像平面。因此，如果光线在系统中发生渐晕（例如由于表面孔径导致的渐晕），则无法使用GQ算法，必须改为RA算法。”

坏处：

1. 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。
2. 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。

四、为什么要设置渐晕

1. 控制像差：在某些光学系统中，尤其是大光圈镜头中，渐晕可以用来减少边缘区域的光线，这些区域往往伴随着较大的像差。通过减少这些区域的光线，可以提高中心区域的成像质量。
2. 提高成像质量：渐晕可以减少光学系统中的边缘光线，这些光线可能因为光学畸变而影响图像质量。通过渐晕，可以集中光线在图像的中心区域，从而提高整体成像质量。
3. 优化系统性能：在某些情况下，渐晕可以帮助优化光学系统的性能，尤其是在有限的空间和成本约束下。
4. 减少光学元件尺寸：通过渐晕，可以减小光学元件的尺寸，因为不需要处理边缘视场的光线，这样可以降低成本和重量。
5. 创造特定的视觉效果：在艺术摄影和电影制作中，渐晕可以用来创造一种特定的视觉效果，如模拟老式镜头的暗角效果。
6. 提高光学系统的光效：在某些情况下，渐晕可以提高光学系统的光效，尤其是在需要限制光束尺寸以适应特定光学元件的情况下。
7. 减少杂散光：渐晕可以减少进入镜头的杂散光，这有助于提高图像的对比度和清晰度。
8. 适应特定应用需求：不同的应用可能对视场和成像质量有不同的需求，渐晕可以作为一种工具来适应这些需求。
9. 提高光学系统的鲁棒性：在公差分析中，渐晕可以帮助评估光学系统在不同条件下的性能，提高系统的鲁棒性。

五、ZEMAX中的渐晕设置

ZEMAX中可以手动设置渐晕，也可自动设置渐晕

1. OpticStudio使用了一种称为渐晕系数的参数：
   VCX：渐晕压缩X
   VCY：渐晕压缩Y
   VDX：渐晕偏心X
   VDY：渐晕偏心Y
   TAN：切向旋转(绕Z轴旋转)
   通过手动修改这些参数，即可设置相对于的渐晕；
2. zemax自动设置渐晕
   在zemax的系统选项中可以一键设置渐晕和消除渐晕；

六、如何检测和修正渐晕

①检测渐晕

1. 使用均匀性检测：图像的均匀性检测分为亮度均匀性检测和色度均匀性检测。渐晕会使图像角落附近变暗，尤其在使用广角镜头时感受明显。可以通过均匀性和互动式均匀性来测量。
2. 分析亮度和色彩shading(非均匀性)：在Imatest中，均匀性模块可以分析亮度和色彩shading(非均匀性)、热像素和坏像素，显示像素级直方图、网格图和非均匀性细节的结

②修正渐晕

1. 相机内置渐晕消除功能：一些现代相机提供了内置的渐晕消除功能，通过相机固件中的镜头数据来减少渐晕。这对于JPEG图像非常有用，但对RAW图像的影响较小。
2. 后期软件中的渐晕校正：在Lightroom和Photoshop等后期处理软件中，可以轻松去除光学渐晕。如果镜头受支持，这些软件可以通过镜头校正模块轻松处理渐晕。
3. 平场矫正：平场矫正是一种图像处理技术，用于校正由于照明不均匀或相机感光元件响应不一致而引起的图像亮度不均匀现象。平场矫正通常通过拍摄一张均匀照明的图像（平场图）并用其校正目标图像来实现。
4. 调整光圈：影响渐晕的主要因素之一是镜头的光圈设置。增大光圈会减少到达角落的光线量，从而最大限度地减少晕影效果。
5. 使用遮光罩：遮光罩是减少暗角的重要配件。它们可以阻挡不需要的杂散光进入镜头，确保图像框架获得均匀的照明。
6. 后处理修正：在Adobe Photoshop等后期处理软件中，你可以使用强大的工具来校正渐晕。这些工具可让你平衡整个画面的亮度。