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大视场的光学系统不管是军事领域还是民用领域中都有着广泛的应用 [1]，但是大视场光学系统存在结构复杂、镜片多、体积大等问题，而且视场越大，由于存在渐晕，相对照度往往更低。同心透镜具有对称性，可消除大部分像差[2-3]，一些大视场高分辨率的镜头采用了该种光学结构形式[4-5]。2018年，Wubin Pang等人设计了一种能够实现360°全景拍摄的相机，该相机的物镜采用了同心透镜 [6]。2019年，Glenn M. Schuster等人设计了一种155°视场的全景光场相机，也采用了同心透镜[7]。在同心结构基础上，为了进一步缩小体积， 2021年，王洋等人设计一款同心反射式手机镜头，F数为1.8，最大视场角100° [8]，全视场相对照度0.64以上。
为了解决同心透镜轴外视场像面照度不均匀的问题，2016年，Joseph E. Ford等[9]在同心透镜中心的透镜表面加入一层低折射率胶合剂，边缘光线在胶合剂面上的入射角大于临界角时将发生全内反射，形成一个虚拟的光阑面，明显降低了系统的渐晕。
在Joseph E. Ford的理论基础上，文中将该方法应用于反射式同心透镜，利用全反射条件建立了虚拟光阑，通过光路计算得到一种反射式同心透镜的手机镜头初始结构，优化后的系统F数1.8，焦距2.7 mm，最大视场角±50°，并且分别在传统孔径光阑和虚拟光阑的条件下对该系统进行照度分析。
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大视场光学系统的渐晕会影响像面照度均匀性，轴外视场的像面照度遵循余弦四次方的规律进行衰减[10-11]，视场角越大，像面照度越低，导致像面照度不均匀。
图1所示为一个同心反射式手机镜头全视场的能量分布图，由于轴外视场实际入瞳孔径为轴上视场垂轴方向的入瞳孔径在轴外视场垂轴方向上的投影，呈视场角余弦乘积的关系，因此大量轴外光线被阻拦，使轴上到达像面的光束宽度大于轴外视场，产生渐晕现象，导致整个像面照度分布不均匀[12-13]，影响光学系统的成像性能。
Figure 1. Vignetting of reflective monocentric lens
在同心透镜的两片透镜之间注入某种胶合剂，其折射率低于两边透镜的折射率，并在中心透镜处设置挡板避免杂散光。如图2所示，轴上视场的上边缘光线1由第一片透镜入射至胶层时，即从光密介质入射到光疏介质，如果入射角I满足临界条件，将发生全内反射[14]，光线全部返回，无法到达像面，下边缘光线2也是如此。同理，对于轴外视场也存在这种情况，这样，所有入射角大于临界角的光线都会被遮拦，相当于在两片透镜之间形成了一个“虚拟”的孔径光阑对光束进行控制，称之为 “虚拟光阑”。
Figure 2. Monocentric lens with virtual stop
如图3所示，视场角为
$ \theta $ 的平行光束，入射光束宽度为D，同心透镜内的k个表面同心，任何角度入射的主光线都可以看作光轴，则上下边缘光线1、2关于光轴对称。
Figure 3. Monocentric lens ray tracing
在△
$ O{A_1}{B_1} $ 中：在点
$ {A_1} $ 处，根据折射定律有：在△
$ O{A_1}{A_2} $ 中，根据正弦定理有：以此类推：
当光束的边缘光线1在第k个面处达到临界角的条件时将发生全反射，根据全反射临界角公式有：
可得：
同理：
若透镜在空气中，可得到光束宽度：
可知，使用虚拟光阑的同心透镜，入射光束宽度D只与内球的半径和胶层折射率有关，而与视场角无关，可以消除系统渐晕。
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根据市场上手机镜头总长和工作距的要求[15]，参考笔者课题组设计的反射式同心透镜与虚拟光阑的建立条件，确定手机镜头的参数如表1所示。
Parameter Value Waveband/nm 486-656 (F, d, C) Relative aperture 1/1.8 Full field of view/(°) 100 Focal length/mm 2.7 Total length/mm $ \leqslant $2.7 Back focal length/mm $ \geqslant $0.5 Table 1. Optical design parameters
如图4所示，两片透镜中间设置了低折射率胶层，过同心透镜中心点
$ O $ 且垂直于反射面的直线作为光轴，引出一条投射高度为$ {h_1} $ 的平行于光轴的光线，经过四次折射和一次反射，交于光轴上的点为焦点$ {F'} $ ，光学系统焦距为$ {f'} $ ，角度、半径和折射率的定义如图4所示。
Figure 4. Optical path diagram of monocentric reflective lens
表面Ⅰ与光轴交点为
$ {H_1} $ ，高度为$ {h_1} $ 的光线与表面Ⅰ的交点为$ {Q_1} $ ，入射角为$ {\;\beta _1} $ ，出射角为$ \;\beta _1' $ ，入射光孔径角为$ {u_1} $ ，过点$ {Q_1} $ 做光轴的垂线交光轴于$ {P_1} $ 点，出射光的延长线与光轴交于点$ Q_1' $ 。入射光经过表面Ⅰ折射后交表面Ⅱ于点$ {Q_2} $ ，入射角为$ {\;\beta _2} $ 。经反射面Ⅲ反射，再经两次折射与光轴交于点$ {F'} $ ，即像方焦点。在$ \Delta O{P_1}{Q_1} $ 中：在
$ {P_1} $ 处，根据折射定律有：表面Ⅰ的像方孔径角
$ u_1' $ 与$ {\;\beta _1} $ 、$ \;\beta _1' $ 的关系为：设
$ {H_1}Q_1' = L_1' $ ，即光线经表面Ⅰ折射后的像距：根据过渡公式，在实际光路计算中有：
中间胶层选用美国Norland生产的胶合剂NOA1315，设其折射率为
$ {n_{TIR}} $ ，当光线在胶合层发生全反射时，根据全反射条件有：联立公式（10）~公式（14），可以得到：
同心透镜像面也与各表面同心，所以像面半径
$ R $ 即为同心透镜焦距$ {f'} $ 。根据以上条件计算，表面Ⅰ的半径$ {R_1} $ 为1.9 mm，表面Ⅱ的半径$ {R_2} $ 为0.57 mm，初始结构经过优化后得到$ F $ 数为1.8、焦距为2.7 mm、总长为2.7 mm的同心反射式手机镜头，结果如图5（a）所示。由于同心反射式透镜的结构特点，轴上部分视场不可见，该设计的视场范围为10°~50°，系统的点列图结果如图5（b）所示，四个视场的弥散斑RMS半径最大值为0.761 μm，接近衍射极限。
Figure 5. （a） Layout and （b） spot diagram of mobile phone lens after optimization
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为清晰地观察不同视场的光斑变化，对结构进行非序列光线追迹，光源和接收器视场角为50°，调整光源和接收器的位置和角度进行光线追迹，软件仿真分析可得到0°~50°视场的光斑照度（该结构实际有效视场为10°~50°，文中为了方便数据处理，0°~10°视场的仿真数据也在图中给出）。如图6所示，随着视场的增大，光斑形状逐渐改变，相应的照度也逐渐降低，其中50°边缘视场的照度衰减为中心视场照度的0.64倍。
Figure 6. Spots of reflective monocentric mobile phone lens using conventional stop
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建立虚拟孔径光阑的同心反射式透镜模型如图7所示，设置了孔径较大的挡板用于遮挡其他杂散光。调整光源和接收器的位置及角度，得到不同视场的光斑如图8所示。0°~35°视场的光斑半径始终保持在0.015 mm， 从40°视场开始，光斑形状逐渐发生变化，当视场增大至50°时，相对照度在0.85以上，得到的光斑相比图6中50°视场的光斑更加圆整。
Figure 7. Reflective monocentric mobile phone lens model using virtual stop
Figure 8. Spots of reflective monocentric mobile phone lens using virtual stop
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采用两种不同光阑的手机镜头的相对照度曲线如图9所示，为了方便进行结果比较，同心反射式结构的仿真结果视场也从0°开始，但是实际有效的成像视场角为10°~50°。传统孔径光阑的手机镜头相对照度如曲线1所示，采用虚拟光阑的手机镜头相对照度如曲线2所示，曲线3为一相同参数的传统广角镜头相对照度。结果表明，使用传统孔径光阑的同心反射式手机镜头随着视场的增大，相对照度平缓下降，渐晕逐渐加大，最大视场相对照度为0.64，使用虚拟光阑的同心反射式手机镜头，在0°~28°视场的相对照度保持不变，最大视场的相对照度在0.85以上，采用基于全内反射的虚拟光阑进行光束限制，可有效提升系统像面的照度均匀性，改善成像性能。
Figure 9. Relative illumination
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文中对同心透镜相对照度的改善方法进行了研究，通过在反射式同心透镜中设置全内反射面建立虚拟光阑以减小渐晕。结合手机镜头要求，在全内反射的条件下对两片反射式同心透镜进行光路计算，得到了系统的初始结构，优化后的手机镜头焦距为2.7 mm，F数为1.8，最大视场角为±50°。此外，分析了使用传统孔径光阑和虚拟光阑的两种同心反射式手机镜头的相对照度，分析结果表明，采用虚拟光阑的手机镜头在0°~28°视场的相对照度保持不变，最大视场的相对照度在0.85以上，而采用传统孔径光阑的手机镜头最大视场的相对照度仅为0.64，可见虚拟光阑的选用可以改善同心透镜像面的照度均匀性。文中的方法不仅适用于手机镜头的设计，也可应用于其他同心结构的大视场高成像性能的小型光学镜头设计中。
Relative illuminance improvement method of monocentric reflective mobile phone lens
doi: 10.3788/IRLA20220763
- Received Date: 2022-10-28
- Rev Recd Date: 2022-12-09
- Publish Date: 2023-05-25
Fund Project:
Outstanding Young Talents Fund of Science and Technology Development Project in Jilin Province (20190103046JH)
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Key words:
- optical design /
- virtual stop /
- relative illuminance /
- monocentric lens /
- reflective type /
- vignetting
Abstract:
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