A3视场、孔径、空间带宽积和成像透镜基本参数(I)

1、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。图3.1透镜成像示意图横向放大率2y）/（2y）= y/y（ 3.1）般用CCD、CMOS拍摄时得到缩小的像，4。视场角2 （角视场）和像高y间 的换算公式2 = 2tan 1 y/f（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。表3.1 CCD规格CCD规格（13）"（1/2(23)"Fy6810镜头的孔径角U常用F数表示F= 1(2u)(3.3)3.2空间带宽积Sbp= 2nyu =

2、2nyu(34)n :物方介质折射率，n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。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，n = 1，因而

3、有SBp=迪=丄=f tan九入 FF（ 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图3.5剖开的镜头结构图度。主要设计软件如 ZEMAX, C0DE5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-ZF5

4、2H-ZLaF50BH-ZLaF68H-LaF50ALaSFN9N1.8551.8351.8471.8041.8831.7731.850vd36.5842.9823.7846.5840.7949.6032.2折射率（N）和阿贝数（d）是材料的两个重要指标，d越大色散越小_ 山1(36)dnF nC33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

5、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CaF2FCD10BaF2FCD1N1.43381.45651.48451.4970vd94.9990.2781.681.634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：图3.7平凸镜组成像，要求中间过平行光物像距Lff2放大率(3.7)(3.8)=f2/fl(2)双胶合组

6、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1ffl30 50°4.5 7.5常规照相物镜、CCD物镜双高斯mFn40 56°2.0 4.0中孔径、及其变形i1J40 80°1.8 2.5中大视场成像表3.5 Custom成像物镜的名称、结构和应用（0.55 g）名称结构图视场2 /2 yF数焦距f空间带宽积SBP客户应用r13.7/2.74.3590.55CTS批量生产虑像的亮度的因素。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