光学成像和显微系统

光学成像系统概论宋菲君大恒新纪元科技股份有限公司副总裁兼总工程师1中科院研究员、博导中国物理学会理事

美国国际光学工程学会Fellow(FellowSPIE)2014.4深圳21

引言近代光学信息处理链2.光学物镜类别3.光学成像系统的基本参数4.近轴成像5.像差6.用双胶合透镜校正球差和色差二级光谱和复消色差天塞和双高斯物镜光阑、光瞳空间带宽积和etendue匹配典型成像物镜的参数系统总长(totaltrack)和远摄物镜后焦距(backfocallength)和反远摄物镜远心物镜(telecentriclens)用于机器视觉显微物镜镜头的采购和设计总体设计目录3近代图像信息处理链照明(Lighting)样品（Sampleunderinspection）成像（Imaging）光学工程（Opticalengineering）接口(Interface)计算机(omputer)图像处理器(Imageanalysis)输出(Outputs)软件工程（Softwareengineering）电子工程（Electricalengineering）在近代光学中，完备的成像系统包括光学工程、电子工程和软件工程三大子系统，是光、机、电和计算机硬件、软件的复合系统.1.引言近代光学信息处理链全过程涵盖了信息的激活、提取、传输、探测、处理、显示和反馈.传统的光学成像只是这个信息处理链中的一个环节.

探测器（Camera）4本讲座从工程实际应用入手，参考国际通用的习惯，介绍光学成像的基本原理，介绍常用的成像物镜。讨论一些专题，介绍国际流行的专业用语.在“光子学”时代，光学成像仍然是最基本的信息处理.光学设计在科研、工程、仪器等诸多领域仍然是一项基本的、常用的手段和工具.各类镜头广泛运用于天文观察、航天照相、导弹、飞机、舰船和坦克的测距-瞄准、半导体光刻制版、机器视觉、智能交通、生命科学、生产流水线识别检测，到生活中的D500照相机和手机照相机。5夏威夷天文台凯克望远镜（主镜10m）哈勃太空望远镜和蟹状星云照片中国国家天文台郭守敬望远镜LAMOST（大天区多目标望远镜）外景民用激光测距仪6业内有这样的说法：一流的镜头是蔡司耶拿，一流(-)是尼康奥林巴斯.国内镜头（民品）的品质大约在二流(-)到三流.成像质量好、成本合理的物镜，是构建光学仪器、光电系统的基本单元，是准确获取图像信息的基本保障.我国光学镜头的品质，与国外（欧美）仍有重大差距.7投影物镜(ZOOM)目镜显微物镜照相物镜成像物镜根据用途不同，大体分为照相物镜，显微物镜和望远物镜三大类.近年发展起来许多新的物镜，如投影物镜，激光测量和扫描物镜，生命科学用荧光物镜，红外夜视物镜等等.2.光学物镜类别成像物镜是成像系统的核心部分DLP投影仪投影投影物镜超大视场监控物镜高清晰照相物镜CCD/CMOSlluu

:物高；:像高；:视场角；u:物方孔径角；u:像方孔径角；l：物距；l：像距。3.光学成像系统的基本参数波段：可见光（VIS,430nm-670nm）;近红外（NIR,0.7m-2m）；中红外（MIR:2m-20m）;远红外（FIR,>20m）可见光波长：486.1nm（F），587.6nm（d），656.3nm（C）4.近轴成像横向放大率：其中NA为数值孔径，F为焦比，又称“F数”：当物距时像距.

例如NA=0.85的60x显微物镜，u=0.85（弧度）；u=0.014基本公式5.像差由物面上一点辐射的光线，经过透镜系统后不相交于一点，称为“像差”PP一般来说，物面上一点P的像是以它的几何像P为中心的弥散，违背“点点成像”规律，就是像差。光学设计的主要目的就是校正像差。6.用双胶合透镜校正球差和色差12大孔径光线近轴光线h当透镜对宽波段（例如白光）成像时，由于色散，蓝光（F光,=486.1nm）的折射率最高绿光（d光,=587.6nm）的折射率居中红光（C光,=656.3nm）的折射率低不同色光的像点位置不同.定义近轴C光和F光像距的差为位置色差，即纵向色差.入射高h很小（沿轴光），为清楚起见图中将h加大不同孔径角光线与近轴光线在光轴上的交点不重合.孔径角为u的光线的像距L与近轴光线的像距(即理想像距)l

的差L称球差，

称为球差函数.球差和位置色差是两种最基本的像差.用薄透镜成像，蓝光像点和红光像点分居绿光两面，色差很大，在任何位置的像都有弥散，得不到清晰的像.：双胶合透镜由冕牌玻璃的正透镜和火石玻璃的负透镜胶合而成.恰当设定三个表面的半径，就能使d光的较大孔径光线和小孔径光线相交，其余孔径光线的剩余球差也不大.：双胶合透镜又使C光和F光的中间孔径光线在轴上相交，从而校正了位置色差.校正球差校正色差冕牌玻璃

火石玻璃球差曲线

和纵向色差曲线，

表示二级光谱，横坐标为孔径归一化值d光F光C光fdfF=fC214双胶合透镜的正确使用14双胶合透镜广泛用于准直、聚焦、扩束和小视场简单成像.应当注意，准直光一般情况下从正透镜方射入，不能反过来用.用于简单成像时，物、像距大的位于正透镜同侧.正负透镜的简单判别.以上论述具有普遍性，所有的光学系统都必须给定的条件（物距、像距、视场、孔径……）下使用，才会清晰成像。

157.二级光谱和复消色差以上所谈的色差校正称为普通消色差（achromatic）.红光（C光）虽与蓝光（F光）相交，但交点与绿光（d光）像点仍有一段距离，称为二级光谱（secondarycolor）.如光学系统对于两种色光消除了纵向色差，那么对于第三种色光的剩余色差就称二级光谱.其纵向参数为，横向参数为弥散斑半径.

二级光谱对于长焦距的折射式天文望远镜物镜、高性能军用望远镜、激光测距仪、大数值孔径显微物镜和半导体光刻制版物镜的像质影响很大.校正了二级光谱的物镜称为复消色差（apochromatic）物镜.由于光学玻璃的部分色散特性相近，为了达到复消色差的要求，一般需要采用CaF2（氟化钙）、BaF2（氟化钡）等光学晶体.CaF2的缺点是价格贵、尺寸做不大.目前成都光明集团正在研制替代CaF2的光学玻璃FK95，可作为大孔径复消色差的材料.16正透镜材料负透镜材料（mm）（m）LaK52ZLaF750.5317K9F10.4817QK3F20.4716CaF2LaK7-0.0172.2玻璃牌号：LaK：镧冕玻璃；ZLaF：重镧火石玻璃；K：冕玻璃；F：火石玻璃；

QK：轻冕玻璃.：像点弥散斑的均方根半径其中透镜焦距，孔径2h=100mm

下图是氟化钙和光学玻璃LaK7配对组合而成的双胶合物镜的球差-色差曲线，F光、C光和d光的球差曲线几乎相交，从上表中可以看出它的弥散斑半径

远小于普通消色差物镜的相应值.不同光学玻璃对以及CaF2-光学玻璃对双胶合物镜的二级光谱和像点弥散斑的均方根半径100x复消色差显微物镜CaF2其中两片透镜的材料为氟化钙，由于复消色差，成像质量大大提高，价格也提高很多。

18为了对较大的视场和孔径成像，并校正各种像差，需要由多个镜片构成较复杂的光学系统，提供更多的变量（半径、材料参数和间隔）.著名的天塞物镜(b)是柯克三片式物镜(a)的改进型.过去是照相机常用的物镜，时至如今还在手机、卡片式数码相机中广泛使用.图(c)为双高斯物镜，六片式的结构大体关于中心光阑对称，并朝向光阑弯曲.典型参数为：F数(“光圈数”)等于或小于2.8，FOV（fieldofview，全视场角）大于30度.BFL0.550.9EFL.高斯物镜及其变形广泛用于中高端检测、成像和35mm单反相机(SLR)中.（a）三片式物镜Cooketriplet（b）天塞物镜Tessar（c）双高斯物镜DoubleGauss8.天塞和双高斯物镜任何实际光学系统中都有一个孔径光阑，简称光阑，它限制了入射光束的孔径角.在简单透镜成像的情况下，透镜的镜框构成孔径光阑.图中只画出系统的第一和最后一个表面.孔径光阑通过它前、后面的光学系统所成的像分别称叫入瞳和出瞳.凡是通过入瞳的光束，将通过光阑和出瞳.几何光学细致地描出物面各点发出的光线经过透镜每个表面的传输路径，形象地称之为“描光线”（raytracking）.9.光阑、光瞳OuPu’zO’P’光阑和光瞳示意图O,轴上物点;O’,轴上像点;P,轴外物点;P’,轴外像点;S,光阑;S0,入瞳;S’,出瞳.由于孔径光阑的限制，输入平面（物面）发出的光波被限制在物方孔径角2u

内，与之对应的是像方孔径角2u；物镜只能对于有限的物体范围成像，即物方视场，记为2，相应的像方视场记为2.从输入平面(物面)轴外物点P向入瞳的中心以及孔径上、下端发出三根光线，经过成像透镜的变换，由出瞳的中心和孔径的上、下端射出，相交在输出平面(像面)上P点，分别称主光线(C)、上光线(T)和下光线(B).20CTB如果物镜是采购的，我们可以只关心系统对于输入信号(几何光学中的“物”)的响应，该响应就是系统的输出(“像”).光学系统的入瞳和出瞳分别是黑箱的输入和输出端面.只要把系统的端面特性描述清楚，系统的响应特性就给定了.光学系统黑箱示意图主光线：Chiefray上光线:：Topray下光线:：Bottomray光阑：Stop,aperture入瞳：Entrancepupil出瞳：Exitpupil10.空间带宽积和etendue匹配在无限共轭时，来自无限远轴上物点的光线平行于光轴，h为光束的入射高，经透镜会聚到轴上像点O.无限远轴外点的平行光（虚线）则以视场角经透镜会聚到轴外像点Q.系统的“空间带宽积”SBP（一维）定义为：：波长：视场角（弧度）D：孔径国外称为etendue,表征成像系统所传递的信息量:“空间”即视场，2(或2)越大，看到的空间范围(“视野”)越大;“带宽”取决于孔径角(由于光阑的限制形成)，2u(或2h)越大，带宽越大，空间频率分量越丰富，分辨率越高，能看清更多的细节.由etendue匹配选择探测器，确定物镜参数23物镜设计的初始参数为：波段，视场（像高），孔径（F或NA），外形尺寸，环境要求等。.ETDCCDx=Nx2.由CCD器件尺寸以及共轭距决定焦距1.由视场（FOV）和分辨率选CCD(CMOS)3.由etendue匹配确定孔径（F数或NA）ETDLENSx=2/F=4(NA)/=NxNxab其中为适当的修正系数。反复进行以上步骤就可得到物镜参数。CCD的最小分辨长度=2p（二倍像素）11.典型成像物镜的参数24典型成像物镜的参数如下表所示，表中给出的仅为典型的例子，以及空间带宽积etendue的变化趋势.名称结构图视场2ω(°)/2η‘(mm)F数fETD用途双胶合（双分离）4/65.6851.91）简单成像2）准直天塞(Tessar)42/6.25.58.462.5常规照相物镜、CCD/CMOS物镜双高斯54/8.73.99.235.1中等孔径、中等视场照相物镜、CCD/CMOS物镜变型双高斯77/82.86.115.2较大孔径，较大视场物镜、CCD/CMOS物镜12.系统总长(totaltrack)和远摄物镜光学系统主面H和后焦面F.焦距EFL：如果入射光线的高度为h，出射光线的孔径角为u’，系统焦距定义为f=h/u

,后焦距BFL：从最后透镜表面中心到像面的长度.系统的总长T（从最前透镜表面中心到像面的长度，又称totaltrack）显然和焦距f并不相等，它们的比=T/f

称为“远摄比”.u后主面HfhT后焦面FT(totaltrack)f(EFL)BFLEFL:（有效）焦距BFL：后焦距Totaltrack:系统总长一些长焦距的望远物镜为了结构紧凑，要求远摄比<1,即T<f

,称“远摄物镜”或“远距物镜”(telephotolenses).远摄物镜由正焦距的前组和负焦距的后组构成，由于正负透镜组的分离，把后主面H’推到系统之外，使系统总长T<f

，从而使镜头结构紧凑.右图是远摄型望远物镜的实例，它的前后组都是复合镜组，远摄比为0.7.T=210，f=300，=0.7BFL然而EFL太小，一般BFL更小，结构上有诸多不便.例如单反相机在像面前有一个可翻转的反光镜；高级成像系统在透镜和像面之间放置分光棱镜，把接收光分成三色，接收到的图像由三个CCD探测和分别处理.在像面前都需要留下足够的空间.此时常常把物镜设计成“反远摄”型(或称“反远距”型物镜，invertedtelephotolenses).2光学仪器广泛且多样.当探测器(或传统相机的胶片)尺寸(即像高)确定后，希望视场角尽量大，以观察到更大的视野，获得更多的信息.减小焦距f有利于加大视场角.13.后焦距(backfocallength)和反远摄物镜该设计正好将远摄型反过来，前组焦距为负，后组焦距为正，使得透镜BFL>EFLBFL又称后工作距，不要与焦距EFL(effectivefocallength)混淆，二者表达不同的物理量.反远摄物镜反远摄物镜f:EFLfb:BFL反远摄物镜实例F=2.84上图是反远摄物镜的实例，它实际上是著名的双高斯物镜的变形，由于前两片负透镜的作用，使工作距大于焦距.3014.远心物镜(telecentriclens)用于机器视觉普通（非远心）物镜，尽管物体的高度相同，不同的物距对应于不同的主光线，不同的主光线又导致不同的像高和，最终产生放大率测量的误差.普通物镜入瞳光阑物像主光线远心物镜工作原理：将入瞳尽量拉远，主光线就趋向平行.当入瞳位于无限远，主光线就平行了.31远心物镜用于机器视觉远心物镜(telecentriclens)的物空间的主光线与光轴平行.设两个物体A和B具有相等的高度y，虽然物距lA和lB,由于主光线平行于光轴，两个物体的像高相同(y)，物体纵向位置的差别并未引起放大率测量的误差.远心物镜（物方）远心物镜实例15.显微物镜按用途分类：1.生物显微镜：物像共轭距185/195，有0.17mm盖玻片2.偏光显微镜：对于材料、装配的应力要求非常高3.金相显微镜：用于观察矿物和其他不透明样品表面。无盖玻片，共轭，使用时应加一个双胶合，在物镜和双胶合间为平行光束，以便安置内照明组件。CCD内照明光源金相显微镜放大倍率主要参数（以生物显微镜物镜为例）（1）共轭距、机械筒长和物镜长度

早年共轭距为185mm，近年来改为195。机械筒长（从目镜机械支口到像面长度）和物镜长度（物镜螺纹端面到像面长度）国际上有通用标准。195目镜机械端面160物镜机械端面盖玻片45物镜目镜共同成像面目镜u按照性能分类：（1）消色差；（2）平场消色差；（3）复消色差；（4）平场复消色差；（5）长工作距，等等

目前国内只能大批生产普通消色差物镜，个别厂商能小批生产平场消色差和长工作距物镜。复消色差、平场复消色差物镜还是由德国、日本生产。（2）盖玻片：生物显微镜观察的样本都有0.17mm的盖玻片，金相显微镜不加盖玻片。

（3）物镜数值孔径.

（4）放大倍率.主要参数都标明在物镜外壳上。工作中特别需要注意的两点，分别是盖玻片和共轭距。典型显微物镜倍率系列：4,10,（25）,40,60（63），（85）,100典型显微物镜：A.4消色差物镜G.25平场消色差物镜B.10消色差物镜H.25长工作距消色差物镜C.25消色差物镜I.25复消色差物镜D.40消色差物镜J.金相显微物镜1E.60消色差物镜K.金相显微物镜2F.100消色差物镜物镜N.A.工作距（mm）共轭距（mm）焦距（mm）σ=0.61λ/NA（m）(λ=0.55um)SBP(×103)(λ=550nm)4X消色差0.137.2919531.033.350.90910X消色差0.253.9819516.421.340.9225X消色差0.41.51957.280.840.59640X消色差0.650.61954.630.520.64160X消色差0.810.181953.120.410.572100X消色差1.250.2251951.910.270.353参数表25X长工作距0.441956.760.840.58225X复消色差0.40.51957.290.840.58225X平场物镜0.42.311956.930.840.582金相显微物镜10.541.28无穷5.20.620.375金相显微物镜20.575.25无穷30.590.4363616.镜头的采购和设计两种途径：（1）根据要求，采购指标接近的镜头搭建系统进行测试，批量生产后再重新优化.（2）大恒光电提供双胶合透镜和其他各类简单的成像、准直等镜头.大恒光电可以根据客户需求进行特制设计：Customdesign.原理样机-工程样机-小批试产-大批生产Conceptionprototype-Engineeringprototype-Pilotproduction-Massproduction.总体设计将决定系统的性价比，乃至project的成败光学设计的任务，是根据外形尺寸、重量、波段、倍率、加工工艺、使用环境等要求设计光学系统.高级设计则满足etendue匹配。

其中物镜等尽量采用off-the-shelf物镜，光学系统的specs必须与采购物镜匹配。必要时用Customdesign物镜、中继镜等加以补偿。近代光学设计