什么是场曲?场曲也叫“像场弯曲”,是指平面物体通过透镜系统后,所有平面物点聚焦后的像面不与理想像平面重合,而是呈现为一个弯曲的像面,这种现像称为场曲。有时我们也理解为视场聚焦后像面的弯曲。虽然每个物点通过透镜系统后自身能成一个清晰的像点,但所有像点的集合却是一个曲面。我们通常像面都为平面,这时无论将像平面选取在任何位置,都不可能得到整个物体清晰的像,它是一个清晰度随像面位置渐变的像。这样对我们观察或照相都造成极大困难。
所以一般检测镜头或照相物镜都需校正场曲,如观测用的显微物镜都是平场物镜,即校正场曲。
注意,在这个概念上需要说明的一点就是,场曲并不是我们观察到的像是弯曲的,而是实际物体成像后最佳焦点集合面是弯曲的。在像面为平面时,我们所看到像是一种清晰度渐变效果,即某一区域很清晰,其它区域却很模糊。如果看到实际像面是弯曲的,便不是场曲造成的,而是畸变!我们将在下一篇技术文章中详细介绍畸变。
由于场曲是随视场变化的,所以不能用单一视场或某一物点成像光斑来描述场曲。此时的光斑图(Spot Diagram),光线差图(Ray Fan),波前图(Wavefront Map)都失去了作用,因为这些分析功能都是只针对某一物点成像质量评价的。但它们又不是完全独立的,比如在场曲较大时,不同视场的光斑图大小相差很大,或不同视场光线差相差较大,这都是场曲存在的标志。
为了直观描述场曲的特征,我们以一个单透镜为例,先来设计这样一个简单的单透镜:
EFFL=100
F/#=5
FOV=20
材料K9
设计步骤如下:
EPD = EFFL/F#,可知入瞳直径20mm
半视场FOV20度,输入三个视场:
插入一个标准面,在第一面输入材料H-K9L,厚度为10mm:
在后表面曲率半径上点右键,选择F Number求解类型:
在后表面厚度上点右键,选择边缘光线高度求解,目的为固定后焦面在近轴焦平面上:
此时我们看光斑聚焦情况:
上图上不难看出,三个视场的最佳焦点位于一个曲面上。对于单透镜系统,这样的场曲是固定的必然存在的,我们称其为匹兹万场曲,场曲曲面弯曲半径大小近似为透镜焦距的2倍:
通过光斑的变化可以知道场曲的存在:
ZEMAX提供了一个专门查看场曲的分析功能:Analysis >> Miscellaneous >> Field Curv/Distortion,在下图的左半部分表示系统场曲情况,可以看到子午方向与弧矢方向场曲大小。
在像模拟功能上我们可以看到实际物面成像后像面模糊情况:Analysis >> Image Simulation >> Image Simulation
上面模拟后的图像可以看到场曲对像质的影响,由于像面位于近轴焦平面,所以模拟得到的图像中心区域非常清晰,边缘很模糊。如果我们将像面置于边缘视场焦点处,可得到如下图像:
注意下图所示为畸变效果,而非场曲造成的。我们要区分这两种像差的不同: