A3 視場、孔徑、空間帶寬積和成像透鏡基本參數(shù)(I)

1、A3 視場、孔徑、空間帶寬積和成像光學系統(tǒng)的基本參數(shù)（I）3.1 成像光學系統(tǒng)將二維或三維空間的物體或圖形成像在人眼或探測器（例如CCD、CMOS）上。像方視場（線視場）（探測器）物方孔徑角成像透鏡物方視場（線）孔徑光闌像方孔徑角視場角（角視場）光軸圖3.1 透鏡成像示意圖n 橫向放大率 （3.1） 一般用CCD、CMOS拍攝時得到縮小的像，。圖3.2 CCD半對角線n 視場角（角視場）和像高間的換算公式 （3.2）其中為焦距，為圓形探測器的半徑，或矩形探測器對角線長度的一半。表3.1 CCD規(guī)格CCD規(guī)格6810n 鏡頭的孔徑角常用F數(shù)表示 （3.3） 3.2 空間帶寬積 （3.4）：物方介

2、質折射率，像方介質折射率（例如顯微鏡油浸物鏡的油折射率），空氣折射率近似為1; ：光波波長; SBP是一個沒有量綱（沒有單位）的數(shù)。n SBP特征：Ø SBP表征成像系統(tǒng)所傳遞的信息量：“空間”即視場，2y 越大，看到的空間范圍（“視野”）越大。圖3.3 光學元件Ø 以后會講到，成像透鏡相當于“低頻濾波器”，它的“帶寬”用表示，孔徑角（由于光闌的限制形成）u 越大（數(shù)越?。直媛?、清晰度越高，對于被顯示物體細節(jié)的表現(xiàn)能力越強。Ø 物、像空間的SBP相等?？梢杂孟穹揭晥觥⑾穹娇讖浇莵碛嬎鉙BP。圖3.4 光學元件加工車間Ø 通常用“F數(shù)”代替孔徑 u，并

3、假定像方介質為空氣，因而有 （3.5）n 空間帶寬積給出成像系統(tǒng)可能達到信息量的高限，可以用來對物鏡的性能分級。Ø 實際系統(tǒng)由于以下原因遠達不到SBP高限：圖3.5 剖開的鏡頭結構圖² 設計水平限制；² 加工、裝配誤差；² 材料誤差。n 為了提高性能，采取了以下措施：Ø 對設計優(yōu)化，提高設計軟件的模擬功能和優(yōu)化速度。主要設計軟件如 ZEMAX, CODE5等。Ø 采用CNC自動加工機提高加工精度；Ø 增加鏡頭片數(shù)，結構復雜化。缺點在于加工成本增加，裝配困難，像質不容易做好。Ø 使用特殊光學玻璃，必要時采用人造晶體，

4、如下表：表3.2 特殊光學玻璃材料ZLaF5H-ZLaF55H-ZF52H-ZLaF50BH-ZLaF68H-LaF50ALaSFN9N1.8551.8351.8471.8041.8831.7731.850nd36.5842.9823.7846.5840.7949.6032.2折射率（N）和阿貝數(shù)（nd）是材料的兩個重要指標，nd越大色散越小。 （3.6）3.3光學玻璃發(fā)展方向：（1）高折射率，中、低色散：ZLaF5（1.855/36.5）、ZLaF68（1.883/40.79）、LaSFN9（1.85/32.2）。近期開發(fā)的（1.90/37）將用于數(shù)碼相機，在中高檔鏡頭也有重要應用。目前國內

5、產品短波段的“內透率”還有差距。（2）高折射率、低軟化點非球面壓型玻璃（1.9-2.0/40）。（3）模擬晶體材料。表3.3 特殊光學玻璃和晶體材料CaF2FCD10BaF2FCD1N1.43381.45651.48451.4970nd94.9990.2781.681.63.4 典型成像物鏡的名稱、結構和應用。n 有一個重要的、又常被忽略的環(huán)節(jié)，在于搭建系統(tǒng)時，深入（而不是膚淺）地了解系統(tǒng)要求，恰如其分地選擇成像鏡組，充分利用其空間帶寬積。（1） 平凸鏡和平凸鏡組：這是最簡單的成像單元，用于對于像質要求很低的場合，單個平凸鏡使用如下圖：圖3.6 單平凸鏡成像，要求孔徑角大的一方朝向平面像距物距

6、平行光圖3.7平凸鏡組成像，要求中間過平行光Ø 物像距 （3.7）Ø 放大率 （3.8）（2）雙膠合組校正了軸上和近軸像差，像質明顯高于平凸透鏡組，用于較小視場簡單成像像距物距圖3.8雙膠合組成像要求：（1）中間過平行光；（2）正透鏡在內側（3）要求較高的成像物鏡須經專門設計（custom design），或按照要求仔細選擇商品鏡頭。CCD、CMOS鏡頭供應商有：Computar、Kowa等。表3.4 典型成像物鏡的名稱、結構和應用。名稱結構圖視場F數(shù)用途雙膠合（雙分離）5.610簡單成像天賽及其變形4.57.5常規(guī)照相物鏡、CCD物鏡雙高斯及其變形2.04.01.82.5

7、中孔徑、中大視場成像表3.5 Custom成像物鏡的名稱、結構和應用（）名稱結構圖視場F數(shù)焦距f空間帶寬積SBP客戶應用4.3590.55CTS 批量生產三片式（復雜）6.66271.57FILTROPAG完成樣品，可批量生產三片式（復雜）2.543.61.74哈工大樣品，購買設計雙高斯415.31.92SMA200件雙高斯（變形）2.814.44.18生物物理所樣品雙高斯（變形）2.54436.64哈工大樣品（購買設計）雙高斯（變形）266（） 3578.16.67AGFA樣品n F數(shù)越小，光束會聚角就越大?？梢宰C明像的照度 （3.9）：放大倍率；：系統(tǒng)透過率；B：物體亮度。因此要考慮像的亮度的因素。增大（F減?。rSBP和像的亮度同時加大。設計、加工難度和成本也會快速增加