A3 视场、孔径、空间带宽积和成像透镜基本参数(I)VIP

A3 视场、孔径、空间带宽积和成像光学系统的基本参数（I）3.1 成像光学系统将二维或三维空间的物体或图形成像在人眼或探测器（例如CCD、CMOS）上。像方视场（线视场）（探测器）物方孔径角成像透镜物方视场（线）孔径光阑像方孔径角视场角（角视场）光轴图3.1 透镜成像示意图n 横向放大率 （3.1） 一般用CCD、CMOS拍摄时得到缩小的像，。图3.2 CCD半对角线n 视场角（角视场）和像高间的换算公式 （3.2）其中为焦距，为圆形探测器的半径，或矩形探测器对角线长度的一半。表3.1 CCD规格CCD规格6810n 镜头的孔径角常用F数表示 （3.3） 3.2 空间带宽积 （3.4）：物方介质折射率，像方介质折射率（例如显微镜油浸物镜的油折射率），空气折射率近似为1; ：光波波长; SBP是一个没有量纲（没有单位）的数。n SBP特征： SBP表征成像系统所传递的信息量：“空间”即视场，2y 越大，看到的空间范围（“视野”）越大。图3.3 光学元件 以后会讲到，成像透镜相当于“低频滤波器”，它的“带宽”用表示，孔径角（由于光阑的限制形成）u 越大（数越小），分辨率、清晰度越高，对于被显示物体细节的表现能力越强。 物、像空间的SBP相等。可以用像方视场、像方孔径角来计算SBP。图3.4 光学元件加工车间 通常用“F数”代替孔径 u，并假定像方介质为空气，因而有 （3.5）n 空间带宽积给出成像系统可能达到信息量的高限，可以用来对物镜的性能分级。 实际系统由于以下原因远达不到SBP高限：图3.5 剖开的镜头结构图 设计水平限制； 加工、装配误差； 材料误差。n 为了提高性能，采取了以下措施： 对设计优化，提高设计软件的模拟功能和优化速度。主要设计软件如 ZEMAX, CODE5等。 采用CNC自动加工机提高加工精度； 增加镜头片数，结构复杂化。缺点在于加工成本增加，装配困难，像质不容易做好。 使用特殊光学玻璃，必要时采用人造晶体，如下表：表3.2 特殊光学玻璃材料ZLaF5H-ZLaF55H-ZF52H-ZLaF50BH-ZLaF68H-LaF50ALaSFN9N1.8551.8351.8471.8041.8831.7731.850nd36.5842.9823.7846.5840.7949.6032.2折射率（N）和阿贝数（nd）是材料的两个重要指标，nd越大色散越小。 （3.6）3.3光学玻璃发展方向：（1）高折射率，中、低色散：ZLaF5（1.855/36.5）、ZLaF68（1.883/40.79）、LaSFN9（1.85/32.2）。近期开发的（1.90/37）将用于数码相机，在中高档镜头也有重要应用。目前国内产品短波段的“内透率”还有差距。（2）高折射率、低软化点非球面压型玻璃（1.9-2.0/40）。（3）模拟晶体材料。表3.3 特殊光学玻璃和晶体材料CaF2FCD10BaF2FCD1N1.43381.45651.48451.4970nd94.9990.2781.681.63.4 典型成像物镜的名称、结构和应用。n 有一个重要的、又常被忽略的环节，在于搭建系统时，深入（而不是肤浅）地了解系统要求，恰如其分地选择成像镜组，充分利用其空间带宽积。（1） 平凸镜和平凸镜组：这是最简单的成像单元，用于对于像质要求很低的场合，单个平凸镜使用如下图：图3.6 单平凸镜成像，要求孔径角大的一方朝向平面像距物距平行光图3.7平凸镜组成像，要求中间过平行光 物像距 （3.7） 放大率 （3.8）（2）双胶合组校正了轴上和近轴像差，像质明显高于平凸透镜组，用于较小视场简单成像像距物距图3.8双胶合组成像要求：（1）中间过平行光；（2）正透镜在内侧（3）要求较高的成像物镜须经专门设计（custom design），或按照要求仔细选择商品镜头。CCD、CMOS镜头供应商有：Computar、Kowa等。表3.4 典型成像物镜的名称、结构和应用。名称结构图视场F数用途双胶合（双分离）5.610简单成像天赛及其变形4.57.5常规照相物镜、CCD物镜双高斯及其变形2.04.01.82.5中孔径、中大视场成像表3.5 Custom成像物镜的名称、结构和应用（）名称结构图视场F数焦距f空间带宽积SBP客户应用4.3590.55CTS 批量生产三片式（复杂）6.66271.57FILTROPAG完成样品，可批量生产三片式（复杂）2.543.61.74哈工大样品，购买设计双高斯415.31.92SMA200件双高斯（变形）2.814.44.18生物物理所样品双高斯（变形）2.54436.64哈工大样品（购买设计）双高斯（变形）266（） 3578.16.67AGFA样品n F数越小，光束会聚角就越大。可以证明像的照度 （3.9）：放大倍率；：系统透过率；B：物体亮度。因此要考虑像的亮度的因素。增大（F减小）时SBP和像的亮度同时加大。设计、加工难度和成本也会