A3视场、孔径、空间带宽积和成像透镜基本参数(I).doc

A3 视场、孔径、空间带宽积和 成像光学系统的基本参数（I） 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。 横向放大率 （3.1） 一般用CCD、CMOS拍摄时得到缩小的像，。 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 6 8 10 镜头的孔径角常用F数表示 （3.3） 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。 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。 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） 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： 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； 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 ZLaF5 H-ZLaF55 H-ZF52 H-ZLaF 50B H-ZLaF68 H-LaF 50A LaSFN9 N 1.855 1.835 1.847 1.804 1.883 1.773 1.850 (d 36.58 42.98 23.78 46.58 40.79 49.60 32.2 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。 （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 CaF2 FCD10 BaF2 FCD1 N 1.4338 1.4565 1.4845 1.4970 (d 94.99 90.27 81.6 81.6 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。 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： 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 （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） 5.6~10 简单成像 天赛 及其变形 4.5～7.5 常规照相物镜、CCD物镜 双高斯 及其变形 2.0～4.0 1.8～2.5 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 4.35 9 0.55 CTS 批量生产 三片式 （复杂） 6.66 27 1.57 FILTROPAG 完成样品，可批量生产 三片式 （复杂） 2.5 43.6 1.74 哈工大样品，购买设计 双高斯 4 15.3 1.92 SMA 200件 双高斯 （变形） 2.8 14.4 4.18 生物物理所 样品 双高斯 （变形） 2.54 43 6.64 哈工大样