A3 視場(chǎng)、孔徑、空間帶寬積和成像透鏡基本參數(shù)(I)

1、A3 視場(chǎng)、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(cè)器（例如CCD、CMOS）上。像方視場(chǎng)（線視場(chǎng)）（探測(cè)器）物方孔徑角成像透鏡物方視場(chǎng)（線）孔徑光闌像方孔徑角視場(chǎng)角（角視場(chǎng)）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(shí)得到縮小的像，。圖3.2 CCD半對(duì)角線n 視場(chǎng)角（角視場(chǎng)）和像高間的換算公式 （3.2）其中為焦距，為圓形探測(cè)器的半徑，或矩形探測(cè)器對(duì)角線長(zhǎng)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(zhì)折射率，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(zhǎng); SBP是一個(gè)沒(méi)有量綱（沒(méi)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(chǎng)，2y 越大，看到的空間范圍（“視野”）越大。圖3.3 光學(xué)元件Ø 以后會(huì)講到，成像透鏡相當(dāng)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(duì)于被顯示物體細(xì)節(jié)的表現(xiàn)能力越強(qiáng)。Ø 物、像空間的SBP相等。可以用像方視場(chǎng)、像方孔徑角來(lái)計(jì)算SBP。圖3.4 光學(xué)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(zhì)為空氣，因而有 （3.5）n 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(lái)對(duì)物鏡的性能分級(jí)。Ø 實(shí)際系統(tǒng)由于以下原因遠(yuǎn)達(dá)不到SBP高限：圖3.5 剖開(kāi)的鏡頭結(jié)構(gòu)圖² 設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)軟件的模擬功能和優(yōu)化速度。主要設(shè)計(jì)軟件如 ZEMAX, CODE5等。Ø 采用CNC自動(dòng)加工機(jī)提高加工精度；Ø 增加鏡頭片數(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。缺點(diǎn)在于加工成本增加，裝配困難，像質(zhì)不容易做好。Ø 使用特殊光學(xué)玻璃，必要時(shí)采用人造晶體，

4、如下表：表3.2 特殊光學(xué)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(gè)重要指標(biāo)，nd越大色散越小。 （3.6）3.3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(kāi)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(guó)內(nèi)

5、產(chǎn)品短波段的“內(nèi)透率”還有差距。（2）高折射率、低軟化點(diǎn)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CaF2FCD10BaF2FCD1N1.43381.45651.48451.4970nd94.9990.2781.681.63.4 典型成像物鏡的名稱、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。n 有一個(gè)重要的、又常被忽略的環(huán)節(jié)，在于搭建系統(tǒng)時(shí)，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(jiǎn)單的成像單元，用于對(duì)于像質(zhì)要求很低的場(chǎng)合，單個(gè)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(guò)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(zhì)明顯高于平凸透鏡組，用于較小視場(chǎng)簡(jiǎn)單成像像距物距圖3.8雙膠合組成像要求：（1）中間過(guò)平行光；（2）正透鏡在內(nèi)側(cè)（3）要求較高的成像物鏡須經(jīng)專門(mén)設(shè)計(jì)（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(chǎng)F數(shù)用途雙膠合（雙分離）5.610簡(jiǎn)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(chǎng)成像表3.5 Custom成像物鏡的名稱、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用（）名稱結(jié)構(gòu)圖視場(chǎng)F數(shù)焦距f空間帶寬積SBP客戶應(yīng)用4.3590.55CTS 批量生產(chǎn)三片式（復(fù)雜）6.66271.57FILTROPAG完成樣品，可批量生產(chǎn)三片式（復(fù)雜）2.543.61.74哈工大樣品，購(gòu)買(mǎi)設(shè)計(jì)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(gòu)買(mǎi)設(shè)計(jì)）雙高斯（變形）266（） 3578.16.67AGFA樣品n F數(shù)越小，光束會(huì)聚角就越大。可以證明像的照度 （3.9）：放大倍率；：系統(tǒng)透過(guò)率；B：物體亮度。因此要考慮像的亮度的因素。增大（F減?。r(shí)SBP和像的亮度同時(shí)加大。設(shè)計(jì)、加工難度和成本也會(huì)快速增加