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(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)（I）3.1成像光學(xué)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。圖3.1透鏡成像示意圖橫向放大率2y）/（2y）= y/y（ 3.1）般用CCD、CMOS拍攝時得到縮小的像，4。視場角2 （角視場）和像高y間 的換算公式2 = 2tan 1 y/f（3.2）其中f為焦距，y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（13）"（1/2(23)"Fy6810鏡頭的孔徑角U常用F數(shù)表示F= 1(2u)(3.3)3.2空間帶寬積Sbp= 2nyu =

2、2nyu(34)n :物方介質(zhì)折射率，n像方介質(zhì)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)。SBP特征: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(xué)元件以后會講到，成像透鏡相當(dāng)于“低 頻濾波器”，它的“帶寬”用u/表 示，孔徑角（由于光闌的限制形成） u越大（F數(shù)越?。?，分辨率、清 晰度越高，對于被顯示物體細(xì)節(jié)的表現(xiàn)能力越強(qiáng)。物、像空間的sbp相等。可以用像方視場2y、像方 孔徑角2u來計算SBP。通常用“ F數(shù)”代替孔徑u，并假定像方介質(zhì)為空氣，n = 1，因而

3、有SBp=迪=丄=f tan九入 FF（ 3.5）空間帶寬積給出成像系統(tǒng)可能達(dá)到 信息量的高限，可以用來對物鏡的性 能分級。圖3.4光學(xué)元件加工車間實際系統(tǒng)由于以下原因遠(yuǎn)達(dá)不到 SBP高限: 設(shè)計水平限制； 加工、裝配誤差； 材料誤差。為了提高性能，采取了以下措施：對設(shè)計優(yōu)化，提高設(shè)計軟件的模擬功能和優(yōu)化速圖3.5剖開的鏡頭結(jié)構(gòu)圖度。主要設(shè)計軟件如 ZEMAX, C0DE5等。 采用CNC自動加工機(jī)提高加工精度；增加鏡頭片數(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。缺點在于加工成本增加, 裝配困難，像質(zhì)不容易做好。使用特殊光學(xué)玻璃，必要時采用人造晶體，如下表: 表3.2特殊光學(xué)玻璃材料ZLaF5H-ZLaF55H-ZF5

4、2H-ZLaF50BH-ZLaF68H-LaF50ALaSFN9N1.8551.8351.8471.8041.8831.7731.850vd36.5842.9823.7846.5840.7949.6032.2折射率（N）和阿貝數(shù)（d）是材料的兩個重要指標(biāo)，d越大色散越小_ 山1(36)dnF nC33光學(xué)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(jī)，在中高檔鏡頭也有重要應(yīng) 用。目前國內(nèi)產(chǎn)品短波段的“內(nèi)透率”還有差距。(2) 高折

5、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(xué)玻璃和晶體材料CaF2FCD10BaF2FCD1N1.43381.45651.48451.4970vd94.9990.2781.681.634典型成像物鏡的名稱、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。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(zhì)要求很低的場合，單個平凸鏡使用如下圖：圖3.7平凸鏡組成像，要求中間過平行光物像距Lff2放大率(3.7)(3.8)=f2/fl(2)雙膠合組

6、校正了軸上和近軸像差，像質(zhì)明顯高于平 凸透鏡組，用于較小視場簡單成像(3)要求較高的成像物鏡須經(jīng)專門設(shè)計(custom design)，或按照要求仔細(xì)選擇商品鏡頭。CCD、CMOS鏡頭供應(yīng)商有：Computar、Kowa等。表3.4典型成像物鏡的名稱、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。名稱結(jié)構(gòu)圖視場F數(shù)用途雙膠合（雙分離）5.6 10簡單成像天賽 及其變形1ffl30 50°4.5 7.5常規(guī)照相物鏡、CCD物鏡雙高斯mFn40 56°2.0 4.0中孔徑、及其變形i1J40 80°1.8 2.5中大視場成像表3.5 Custom成像物鏡的名稱、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用（0.55 g）名稱結(jié)構(gòu)圖視場2 /2 yF數(shù)焦距f空間帶寬積SBP客戶應(yīng)用r13.7/2.74.3590.55CTS批量生產(chǎn)慮像的亮度的因素。u增大（F減?。rSBP和像的亮度 同時加大。設(shè)計、加工難度和成本也會快速增加。由以上兩