A3视场孔径空间带宽积和成像透镜基本参数(I)

1A3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。图3.1透镜成像示意图2y像方视场（线视场）（探测器）2u物方孔径角成像透镜2y物方视场（线）2u孔径光阑2像方孔径角视场角（角视场）光轴2横向放大率22yyyy（3.1）一般用CCD、CMOS拍摄时得到缩小的像，1。视场角2（角视场）和像高y间的换算公式122tanyf（3.2）其中f为焦距，y为圆形探测器的半径，或矩形探测器对角线长度的一半。y图3.2CCD半对角线3表3.1CCD规格CCD规格131223y6810镜头的孔径角u常用F数表示1(2)Fu（3.3）3.2空间带宽积22SBPnyunyu（3.4）n：物方介质折射率，n像方介质折射率（例如显微镜油4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。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。以后会讲到，成像透镜相当于“低频滤波器”，它的“带宽”用u表示，孔径角（由于光阑的限制形成）u越大（F数越小），分辨率、清晰度越高，对于被显示物体细节的图3.3光学元件5表现能力越强。物、像空间的SBP相等。可以用像方视场2y、像方孔径角2u来计算SBP。通常用“F数”代替孔径u，并假定像方介质为空气，1n，因而有2tanSBPyuyfFF（3.5）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。图3.4光学元件加工车间6实际系统由于以下原因远达不到SBP高限：设计水平限制；加工、装配误差；材料误差。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；图3.5剖开的镜头结构图7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-LaF50ALaSFN9N1.8551.8351.8471.8041.8831.7731.850d36.5842.9823.7846.5840.7949.6032.2折射率（N）和阿贝数（d）是材料的两个重要指标，d越大色散越小。1ddFCnnn（3.6）83.3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CaF2FCD10BaF2FCD1N1.43381.45651.48451.4970d94.9990.2781.681.693.4典型成像物镜的名称、结构和应用。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：uu图3.6单平凸镜成像，要求孔径角大的一方朝向平面10物像距12Lff（3.7）放大率21ff（3.8）像距＝2f物距＝1f平行光图3.7平凸镜组成像，要求中间过平行光11（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（3）要求较高的成像物镜须经专门设计（customdesign），或按照要求仔细选择商品镜头。CCD、CMOS图3.8双胶合组成像要求：（1）中间过平行光；（2）正透镜在内侧像距＝2f物距＝1f12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2F数用途双胶合（双分离）1~45.6~10简单成像天赛及其变形30~504.5～7.5常规照相物镜、CCD物镜13双高斯及其变形40~5640~802.0～4.01.8～2.5中孔径、中大视场成像表3.5Custom成像物镜的名称、结构和应用（0.55μm）名称结构图视场22yF数焦距f空间带宽积SBP客户应用13.7/2.74.3590.55CTS批量生产14三片式（复杂）22/11.56.66271.57FILTROPAG完成样品，可批量生产三片式（复杂）7/4.842.543.61.74哈工大样品，购买设计双高斯24.4/8.52415.31.92SMA200件双高斯（变形）27/132.814.44.18生物物理所样品15双高斯（变形）24.2/18.52.54436.64哈工大样品（购买设计）双高斯（变形）266（'2y）3578.16.67AGFA样品F数越小，光束会聚角u就越大。可以证明像的照度22sinBuE（3.9）：放大倍率；：系统透过率；B：物体亮度。因此要考16虑像的亮度的因素。u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快速增加。由以上两表可见，不同设计、不同复杂程度的物镜所能承载的信息量（SBP）差别很大，在设计成像系统或搭建光学信息处理系统时应根据使用要求恰当地选择物镜。合理的设计和选择应当是性能、价格的优化、折衷和平衡。