一、渐晕对成像镜头的影响
1.光通量降低
渐晕阻挡了部分视场点发出的、原本能到达像面的光线，导致该视场点的像面照度降低，特别是边缘视场。
2.成像质量（MTF）变化
（1）降低像差影响：这是设置渐晕最主要的目的之一。通过阻挡边缘光线（这些光线通常携带更大的像差，如彗差、像散、场曲），可以有效提高被保留的中心光束区域的成像质量（MTF），尤其是在边缘视场。这相当于“裁剪”掉了成像最差的部分光线。
（2）可能引入新的伪像： 如果渐晕边缘非常锐利（硬渐晕），可能在像面上形成可见的阴影边界，尤其是在高反差场景下。软渐晕（照度渐变）通常更受欢迎以减少这种效应。
（3）改变点扩散函数：被渐晕孔径限制的光束形状会改变PSF的形状和对称性。
3.杂散光控制
一定程度上有助于阻挡部分可能产生鬼影或杂散光的极端角度光线。
二、单边设置渐晕导致子午方向光瞳不对称的影响
1.光瞳形状畸变
光瞳不再是圆形或对称的椭圆形，而是在子午面上偏向一侧（设置了渐晕的那一侧）。光束的有效截面形状发生改变。
2.光线路径偏离
光线“明显偏离”是这种不对称光瞳的自然表现。原本对称入射的光线束被截掉了一部分，剩余光线的中心轴线（主光线）和整个光束重心都会向未设渐晕的一侧偏移。
3.对像差优化的影响（关键问题）
（1）引入强不对称像差：最大的风险是引入彗差。彗差本身就是一种轴外像差，其特点就是点像不对称（拖影）。单边渐晕造成的非对称光束会严重破坏子午面上光束的对称性，极易激发或加剧彗差。优化算法在尝试校正轴上和弧矢面像差时，可能很难同时补偿这种由结构不对称性在子午面强制引入的彗差。
（2）优化困难：可能导致像差优化不回来，或者需要付出巨大代价。优化算法需要在被严重截断且不对称的光束条件下工作，可用的“好光线”样本变少且分布不均，找到全局最优解变得极其困难。优化结果可能：
○在渐晕区域内勉强达到要求，但性能不稳定。
○为了压制子午彗差，牺牲其他视场或其他像差（如轴上球差、弧矢面MTF）。
○始终无法消除明显的不对称像差。
（3）视场依赖性：这种不对称渐晕的影响在不同视场角下是不同的，增加了优化的复杂性。
4.强烈不建议将主要渐晕设置在单侧。
这通常是设计不良或空间限制极端苛刻下的无奈之举，会带来难以克服的像质问题和优化困难。
三、对称性的过度渐晕容易导致敏感的偏心公差
1.原理
当有效光束被限制在一个非常狭窄的区域内，任何微小的镜片位置偏移（偏心、倾斜）、厚度误差或表面形状误差，都会导致这个狭窄光束产生显著的偏移或变形。原本在宽松光束下被平均掉的小误差，在狭窄光束下会被放大，直接表现为MTF下降、像点位移或不对称性增加。
中心偏敏感：光阑前后的元件对中心偏（Decentration）最为敏感。狭窄的渐晕孔径放大了中心偏的影响。
倾斜敏感：同样，微小的镜片倾斜会显著改变狭窄光束的传播角度和落点。
表面不规则度敏感：光束只通过镜片中心极小区域时，该区域内的任何局部面形误差（如小范围的凹陷或凸起）都会对整个光束质量产生不成比例的巨大影响。而在大光束下，这种局部误差的影响会被平均化。
2.像差优化潜力耗尽
过度渐晕虽然可能暂时在软件里让MTF曲线“看起来”不错（因为只计算了能通过的那一点点光线），但这是一种假象。它掩盖了系统本身像差校正的不足。被阻挡的光线携带的像差并没有被真正校正，只是被忽略了。这种设计极其脆弱：
（1）实际像质差：虽然轴上可能还行（因为渐晕少），但稍大一点的视场，有效光束质量会急剧下降，因为该视场点“好光线”的比例太低。
（2）无法容忍制造误差：如上所述，制造和装调中的微小误差会轻易破坏这层脆弱的平衡。
（3）性能不稳定：在不同温度、不同波长或不同光圈下，性能可能发生显著变化。
四、理论基础：优化算法如何工作
光学设计优化（如使用Zemax，CodeV，Synopsys，OSLO等）本质上是一个多变量、非线性、约束条件下的最小化问题：
1.目标函数
通常是基于光线追迹计算的像差（如RMS波前差、点列图RMS半径、MTF值等）的加权和。
2.变量
透镜的曲率、厚度、间距、非球面系数、材料（有时）等。
3.约束
系统总长、后焦距、边缘厚度、中心厚度、透镜最小口径等。
4.算法
常用的是阻尼最小二乘法(Damped Least Squares，DLS)及其变种。其核心是：
（1）在当前设计点附近进行局部线性化（计算目标函数对各个变量的偏导数，即雅可比矩阵/Jacobian Matrix）。
（2）求解一个线性方程组，找到能最大程度降低目标函数的变量调整步长。
（3）应用该步长，移动到新设计点。
（4）重复迭代直至收敛（目标函数不再显著下降或达到预设条件）。
五、非对称渐晕如何破坏优化过程
1.光线样本代表性丧失与信息量减少
（1）“好光线样本变少”：优化算法评估像差（目标函数）需要追迹大量光线（样本）。渐晕（尤其是严重渐晕）阻挡了大量原本会参与计算的光线。
（2）“分布不均”：非对称渐晕导致通过的光线在光瞳内分布极端不均匀。例如，在子午面上，光线可能只集中在光瞳的一侧（未被渐晕阻挡的一侧）。这意味着算法获取的像差信息几乎完全来自于光瞳的这个狭窄区域。
（3）后果：算法对整个光束的像差状态感知是片面和扭曲的。它只知道“剩下这部分光线”的像差，而完全不知道“被阻挡的那部分光线”如果通过会有多差（或者，更关键的是，不知道如果结构改变，那些被阻挡的光线是否会变得更好或更差）。优化失去了全局视角。
2.雅可比矩阵（灵敏度矩阵）失真
（1）优化算法的核心是计算目标函数（像差）相对于设计变量（曲率、厚度等）的变化率（偏导数）。
（2）这些偏导数是基于当前追迹的光线路径计算的。
（3）非对称渐晕的灾难性影响：
○计算基于局部光线：由于只有光瞳一侧的光线能通过，计算出的像差变化率只反映这些特定光线的行为。变量调整对被阻挡区域光线的影响是完全未知的。
○方向性误导：假设一个变量调整（如轻微弯曲一个透镜表面）能显著改善当前通过的光线（集中在光瞳一侧）的像差。算法会认为这是一个好的调整方向。然而，这个调整可能严重恶化被阻挡区域的光线。一旦下次迭代，由于结构改变，原本被阻挡的光线可能变得可以通过（或者新的光线被阻挡），之前“好”的调整方向可能突然导致像差急剧恶化，因为引入了之前被隐藏的严重像差（尤其是彗差）。
○优化变得不稳定：算法在“走一步看一步”，但每一步看到的景象（有效光瞳区域和光线分布）都可能因为变量的调整而发生剧烈变化（光线从阻挡变为通过或反之）。目标函数和雅可比矩阵不连续、不稳定，导致优化过程剧烈振荡，难以收敛。
3.引入强约束与可行域畸变
（1）非对称渐晕相当于在光瞳上施加了一个硬性的、非对称的几何遮挡约束。
（2）优化算法不仅要最小化像差，还要确保光线不被遮挡（即满足渐晕孔径约束）。
（3）这个约束极度非线性且非对称，严重扭曲了设计变量的“可行域”（即满足所有约束的设计空间）。
（4）找到既能改善剩余光线像差，又能保证光线不被阻挡（或阻挡情况不恶化）的设计点变得异常困难。算法容易陷入由这个硬约束造成的局部极小值，或者根本无法找到有效的下降方向。
4.加剧像差耦合与冲突
（1）光学系统的各种像差（球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差）是相互耦合的。校正一种像差可能会影响另一种。
（2）非对称光束破坏平衡：一个设计良好的系统，其像差在整个光瞳上是平衡的（即使离轴视场不对称，其光瞳内的像差分布也有其内在规律）。非对称渐晕粗暴地打破了这种平衡。
（3）“拆东墙补西墙”失效：优化算法通常依靠在不同光瞳区域和不同视场之间进行像差平衡（例如，牺牲一点轴上性能换取轴外性能）。非对称渐晕使得算法无法有效地在光瞳的“可见”部分和“不可见”部分之间进行这种平衡操作，因为“不可见”部分完全不可控。算法试图优化“可见部分”的努力，可能无意中把“不可见部分”的像差推向了灾难性的境地，而它自己却不知道。
5.“更好成像质量的可能性”陷阱
（1）“具有大像差的光线被裁剪，最终获得更好的成像质量可能性更大”在静态观察和理想裁剪下是成立的。如果你能精确地只裁剪掉所有携带最大像差的“坏光线”，留下完美的“好光线”，那确实能提升画质。
（2）优化过程的动态性挑战：然而，优化是一个动态调整系统结构的过程。问题在于：
○“坏光线”是移动的目标：当你改变透镜参数时，光线的路径、携带的像差、以及哪些光线会被渐晕阻挡都在变化。上一刻被阻挡的“坏光线”，下一刻可能因为结构改变而成为“好光线”并进入通光区，或者反之。算法无法稳定地识别和锁定“坏光线”。
○裁剪无法精准控制像差类型：非对称渐晕主要进行几何遮挡。它并不能智能地、选择性地只阻挡导致特定像差（如彗差尾）的光线。它阻挡的是空间区域的光线，这个区域内可能混合了携带不同像差的光线。简单粗暴的非对称裁剪很可能在阻挡部分“坏光线”的同时，也阻挡了携带校正信息或对平衡其他像差有用的“好光线”。
○阻碍了根本性校正：过度依赖渐晕（尤其是非对称的）来“掩盖”像差，会阻碍算法找到真正能系统性校正像差根源的设计方案。它让设计停留在一个局部区域，该区域通过几何限制勉强实现了剩余光线的低像差，但系统本身的光学矫正能力很弱，且对变量变化极其敏感（如公差分析会揭示）。
结论：在优化算法执行的动态过程中，非对称渐晕会严重破坏算法赖以工作的基础（可靠的光线样本信息和有效的灵敏度计算），使得算法难以稳定、可靠地找到真正优良的设计解。它往往导致优化过程陷入困境，得到的设计性能脆弱且难以制造。这就是为什么在实践中，对称渐晕是更可取且更稳健的方法，它保持了光束的对称性，为优化算法提供了更稳定、信息更完整的工作环境。
六、设计原则
（1）优先优化像差：应首先通过合理的光学结构设计、光焦度分配、非球面/异常色散材料等手段，尽可能地在不过度牺牲其他性能的前提下校正像差。
（2）适度、对称渐晕：在优化后期，根据需求谨慎、渐进地引入对称渐晕，作为提升特定视场MTF的辅助手段。观察其对公差敏感性的影响。
（3）公差分析是必须步骤：任何包含显著渐晕的设计，都必须进行严格的蒙特卡洛公差分析，评估其可制造性和良率。
