第二章光学系统设计概要-新.ppt

光学系统设光学系统设计概要计概要广学 明德 海纳 厚为v光学仪器及其发展v光学设计及其发展v应掌握的光学设计基础2.1 光学仪器的发展光学仪器的发展 2.1.1光学仪器发展的基础理论v古典理论几何光学或应用光学波动光学时期波动光学时期量子光学时期量子光学时期现代光学时期现代光学时期2.1.2光学仪器的类别光学仪器的类别v光学计量仪器v物理光学仪器v显微镜v测绘仪器v光学测试仪器v天文光学仪器v军用光学、光电仪器v医用光学仪器v照相机、摄像机v投影机、电影机械2.1.3光学仪器的发展光学仪器的发展v二战以前，光学仪器初步形成系列。光学仪器制造已有近300年历史。从19世纪后期起，德国在光学设计与制造方面领先世界。v二战至1960年，主要表现在：改进结构，扩大使用范围和增加产量，提高质量等方面。v1960年以来，数字读数，激光，全息，光纤，自动化，光电子和计算机等新技术的相继应用，创新了许多新的成像技术、新的光学材料、新的加工方法和新的光学器件。光学仪器取得了前所未有的成就。2.2光学设计的发展概况2.2.1 光学设计的概念 光学设计所要完成的工作应该包括光学系统设计和光学结构设计。我们主要讨论光学系统设计。光学系统设计就是根据仪器所提出的使用要求，来决定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。2.2光学设计及其发展光学设计及其发展 我们要为一个光学仪器设计一个光学系统，大体上可分为两个阶段。第一阶段是根据仪器总体的技术要求（性能指标、外形体积、重量及相关技术条件），从仪器的总体（光学、机械、电路及计算技术）出发，拟定出光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸，以及系统中各部分要求的光学特性等。一般称这一阶段的设计为“初步设计”或者“外形尺寸计算”。第二阶段是根据初步设计的结果，确定每个镜头的具体结构参数（半径、厚度、间隔、玻璃材料），以保证满足系统光学特性和成像质量的要求。这一阶段的设计称为“像差设计”，一般简称“光学设计”。这两个阶段既有区别又有联系。在不同类型的仪器中所占的地位和工作量不同。如大部分军用光学仪器中，初步设计比较繁重，而像差设计相对来说比较容易；一般显微镜和照相机中，初步设计比较简单，而像差设计比较复杂。光学设计的发展经历了人工设计和光学自动设计的两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序进行设计的巨大飞跃。国内外已出现了不少功能相当强大的光学设计CAD软件。如今，计算机辅助设计已在工程光学领域中普遍使用，从而使设计者能快速、高效地设计出优质、经济的光学系统。然而，不管设计手段如何改变，光学设计过程的一般规律任然是必须遵循的。2.2.2 2.2.2 光学设计的发展状况光学设计的发展状况2.2光学系统设计的具体过程和步骤2.2.1 光学系统设计的具体过程1、制定合理的技术参数从光学系统对使用要求满足程度出发、制定光学系统合理的技术参数，这是设计成功与否的前提条件。2、光学系统总体设计和布局光学系统总体设计的重点是确定光学原理方案和外形尺寸计算。为了设计出光学系统的原理图，确定基本光学特性，使其满足给定的技术要求，首先要确定放大率（或焦距）、线视场（或角视场）、数值孔径（或相对孔径）、共轭距、光阑位置和外形尺寸。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在上述计算时还要结合机械结构和电器系统，以防止这些理论在机械结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高的要求会使设计结构复杂，造成浪费；过低的要求会使设计不符合要求。因此，这一步骤必须慎重。3、光组的设计一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段1）选型光组的划分，一般以物象共轭面之间的所有光学零件为一个光组，也可将其进一步划小。选型是光学系统设计的出发点，选型是否合理、适宜是设计成败的关键。2）初始结构的计算和选择初始结构的确定常用以下两种方法：（1）解析法（代数法）：即根据初级像差理论求解初始结构。这种方法是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级像差理论来求解满足成像质量要求的初始结构，即确定系统光学零件的曲率半径、透镜的厚度和间隔、玻璃的折射率和色散等等。（2）缩放法：即根据对光组的要求，找出性能参数比较接近的已有结构，将其各外形尺寸乘以缩放比K，得到所要求的结构，并估计其像差的大小或者变化趋势。3）像差校正、平衡与像差评价初始结构选好后，要在计算机上进行光路计算，或用像差自动校正程序进行自动校正，然后根据计算结果画出像差曲线，分析像差，找出原因，再反复进行相差计算和平衡，直到满足成像质量要求。4、长光路的拼接与统算以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的拼接与统算。若结果不合理，则反复试算并调整各光组的位置与结构，直到达到预期的目的为止。5、绘制光学系统图、部件图和零件图绘制各种图纸，包括确定各光学零件的相对位置，光学零件的实际大小和技术条件。这些图纸为光学零件的加工、校验，零部件的胶合、装配、校正，乃至整机的装调、测试提供依据。6、编写设计说明书设计说明书是进行光学设计整个过程的技术总结，是进行技术方案评审的主要依据。7、进行技术答辩必要时可以进行技术答辩光学设计就是选择和安排光学系统中各光学零件的材料、曲率和间隔，使得系统的成像符合应用要求。一般设计过程基本是减小像差到可以忽略不急的程度。光学设计可以概括为一下几个步骤：（1）选择系统的类型（2）分配元件的光焦度和间隔（3）校正初级像差（4）减小残余像差（高级像差）以上每个步骤可以包括几个环节，重复地循环这几个步骤，最终会找到一个满意的结果。2.2.22.2.2 光学设计的设计步骤光学设计的设计步骤2.3仪器对光学系统性能与质量要求任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求。因此，在进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起来有以下几个方面。2.3.1 光学系统的基本特性数值孔径或相对孔径，线视场或角视场，系统的放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些参数，如光瞳的大小和位置、共轭距等等。2.3.2 系统的外形尺寸系统的外形尺寸，即系统的轴向尺寸和径向尺寸。2.3.3 成像质量成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物镜则要求整个视场都要有较好的成像质量。2.3.4 仪器的使用要求根据仪器的使用条件，要求光学系统具有一定的稳定性、抗振性、耐热性和耐寒性，以保证仪器在特定的环境下能正常工作。在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。例如：生物显微镜500NA1000NA，望远镜0.2D0.75D像质评价方法像质评价方法v实际成像的现实是：在光学系统中，点成像的弥散斑尺寸多大，由衍射效应还是几何像差占主导，多大尺寸的弥散斑是可以接受的，弥散斑内的能量如何分布，图像的对比度降低多少，系统的整体质量如何。v像质评价方法：v瑞利判断：实际波面与理想波面之间的最大波像差超过1/4波长，此波面可看作是无缺陷的。v分辨率：当一个点的衍射图中心与另一个点衍射图的第一暗环重合时，恰好能分辨。衍射理论的最小分辨角 =1.22/Dv点列图：点对应于弥散斑，用集中30%以上的点或光线的圆形区域为实际有效的弥散斑。v光学传递函数：傅里叶光学认为光学系统是线性不变系统，传递的频率不变。但受限光学仪器，并非所有的频谱都能传递。用光学传递函数表示光学系统在成像中的传递能力。2.2.2 光学设计的基础光学设计的基础光学设计中的一些重要概念光学设计中的一些重要概念焦距与视角的关系焦距与视角的关系焦距与视角的关系焦距与视角的关系2.2.3 像差设计过程像差设计过程v光学设计在很大程度上讲就是像差设计。v像差校正与平衡，是一项反复修改结构参数逐步逼近最佳结果的工作。在计算机辅助光学设计中，采用像差自动平衡的方法，极大地加快了设计进程，且显著地提高设计质量。v当像差已校正与平衡到良好状态后，需要借助适当的方法对像质做全面的评价，以决定设计结果是否符合要求。如尚未达到要求，仍需继续做像差平衡工作；如发现无论怎样做像质还是达不到要求，应另选结构形式或另定初始参数。重复上述步骤继续设计，直到像质达到要求。2.2.4 光学系统设计要求光学系统设计要求v进行光学设计前一定要了解设计要求，这些要求概括起来有以下几个方面：v基本特性：数值孔径或相对孔径、线视场或视场角、系统放大率或焦距。此外还有：光瞳大小和位置、后工作距离、共轭距等。v外形尺寸：即系统的横向尺寸与纵向尺寸。v成像质量：成像质量的要求和光学系统的用途有关。v仪器的使用条件具体来说，光学系统设计要求还可分为光学系统基本要求和技术要求v基本要求包括：性能、构型选择和可制造性三个方面。v技术要求包括：基本结构参数（物距、成像形式、像距、F数或数值孔径、放大率、全视场、透过率、焦距、渐晕）；成像质量要求（探测器类型、主波长、光谱范围、光谱权重、调制传递函数、RMS波前衰减、能量中心度、畸变）；机械和包装要求；其它具体要求。2.2.5 光学设计的发展概况光学设计的发展概况v20世纪之前的光学仪器，是利用人们直接磨制的各种透镜按不同情况进行组合，找出符合成像质量要求的结构。v为节省人力、物力，人们逐渐用计算方法来替代老办法。这种方法就称为像差计算。v对于某结构参数的光学系统，光线由同一物点开始，按折射、反射定律，算出若干条光线；根据这些光线通过系统以后的聚焦情况，可以大体知道成像质量；然后修改结构参数，再重复上述计算，直到成像质量满意为止。v为加快设计进程，促使人们进行“像差理论”研究，但进展并不令人满意。v计算机的出现，使光学设计从人工计算的繁重劳动中解放出来，实现了“自动设计”或“像差自动校正”。2.3 应掌握的光学设计基础应掌握的光学设计基础v（1）了解光学系统对成像特性的影响v高斯光学性质；光度性质；衍射；像差校正状况v主要矛盾：仪器尺寸与高斯光学的矛盾；孔径、视场与像差校正的矛盾。v（2）几何光学基础v（3）像差理论：球差、慧差、像散、场曲、畸变、位置色差、垂轴色差。v（4）光学材料的选择和光学系统的公差分配。v（5）光机结构和光学工艺。2.4 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法2.4.1光线追迹概述v光线追迹是确定光学系统像差的最普通和最直接方法。v除了追迹近轴光线之外，还要用光学三角公式追迹不同口径和视场下的光线，然后根据光线计算的结果来确定和分析各种像差。v要解决的问题：给定一个光学系统的结构参数（半径、厚度或间隔、折射率等），再给出入射到光学系统的光线方向和目标空间位置，最后求出光线通过该系统后的方向和空间位置。光线追迹计算通常步骤光线追迹计算通常步骤（1）起始计算起始计算：给出光线的初始位置和方向。（2）折射计算折射计算：确定光线经过表面折射（反射）后的方向和位置（3）转面计算转面计算：完成到下一表面的数据转换，以便于继续光线追迹（4）终结计算与处理终结计算与处理：确定光线最后截点长度或高度，有时候还要计算像差值。对系统每个表面都要进行折射计算和转面计算。2.4.2 光学系统像差概述光学系统像差概述像差：实际像与理想像间的偏差像差：实际像与理想像间的偏差子午慧差、弧矢慧差子午慧差、弧矢慧差正、负透镜组合消正、负透镜组合消除像散除像散2.4.3 像差校正的一些常用方法像差校正的一些常用方法v各光组以至各面的像差分布要合理。在考虑初始结构时可将要校正的像差列成用初级像差系数表示的方程组，从方程组的多组解中选出一合理解：尽量做到各个面上以较小的像差值相抵消，这样就不至于会有很大的高级像差。v相对孔径或入射角很大的面一定要使其弯向光阑，使主光线的偏角尽量小，以减少轴外像差。v最后的像差应有合理的匹配，至少使0.7视场范围内的像质比较均匀。v挑选对像差变化敏感的表面改变其半径。v对于对称结构的光学系统，可以选择成对的对称参数进行修改。v利用胶合面改变色差或其他像差，并在必要时调换玻璃。v合理的拦截光束和选定光阑位置。v在像差校正过程中，重要的问题是能够判断各结构参数对像差变化影响的倾向。光学系统中的光束限制光学系统中的光束限制显微系微系统 v显微系微系统的构成的构成v显微微镜的成像原理的成像原理v显微微镜的的视放大率放大率v显微微镜的分辨力的分辨力v显微微镜的有效放大率的有效放大率v显微微镜中的光束限制中的光束限制v照明系照明系统典型光学系统典型光学系统显微系微系统的构成的构成v照明系照明系统成像系成像系统v成像系成像系统=物物镜目目镜 显微微镜成像系成像系统工作原理工作原理显微微镜成像系成像系统工作原理工作原理显微微镜的的视放大率（一）放大率（一）v人眼直接观察物体人眼直接观察物体v人眼观察显微镜的像人眼观察显微镜的像v显微镜的视放大率显微镜的视放大率显微微镜的的视放大率（二）放大率（二）v显微微镜为两次放大，放大率两次放大，放大率为两次放大的乘两次放大的乘积v显微微镜实质上就是一个上就是一个组合的放大合的放大镜 显微微镜的的视放大率公式放大率公式=对显微微镜成像的几点分析成像的几点分析v物平面物平面应位于物位于物镜的物方焦点到两倍焦距之的物方焦点到两倍焦距之间，以以实现物物镜的一的一级放大。放大。v物平面物平面应位于整个位于整个显微微镜组合物方焦点以合物方焦点以内内，并，并十分靠近物方焦点十分靠近物方焦点处，以使得物体，以使得物体经显微微镜成像成像于于250mm以外至以外至处。v显微微镜可以通可以通过调换不同倍率的物不同倍率的物镜和目和目镜，方，方便迅速地便迅速地获得得显微微镜的多种放大率。的多种放大率。v显微微镜因因为有有中中间实像像，可可以以在在中中间实像像处放放置置分划板，能分划板，能实现对物体的瞄准和物体的瞄准和测量量。显微微镜的光束限制的光束限制孔径光孔径光阑 v低倍物低倍物镜为单组透透镜，物，物镜框框为孔径光孔径光阑v高倍物高倍物镜为多多组透透镜，后，后组透透镜框框为孔径光孔径光阑v测量量显微微镜用物方用物方远心光路，孔径光心光路，孔径光阑设置在物置在物镜的像的像方焦平面上方焦平面上v孔径光孔径光阑经目目镜所成的像即所成的像即为显微微镜的出瞳的出瞳，观察察时，眼瞳要与出瞳重合眼瞳要与出瞳重合。v显微微镜的光束大小常用的光束大小常用NA表示表示v出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关NA：数：数值孔径孔径显微微镜的分辨力的分辨力 v显微微镜的分辨力取决于光学系的分辨力取决于光学系统对光的衍射状况。光的衍射状况。根根据据瑞利判断瑞利判断，两个相，两个相邻像点之像点之间的的间隔等于艾里斑的半径隔等于艾里斑的半径时，则能被光学系能被光学系统分辨分辨。v显微微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距离表示的分辨力用所能分辨的物方最小距离表示v道威判断：道威判断：提高提高显微微镜分辨力的可能性分辨力的可能性v显微微镜的分辨力主要取决于的分辨力主要取决于显微物微物镜的数的数值孔径孔径NAv提高数提高数值孔径的方法是增大孔径角，物方孔径角孔径的方法是增大孔径角，物方孔径角U最最大可达大可达6070，因此，因此，显微物微物镜属于大孔径系属于大孔径系统。v提高数提高数值孔径的另一方法是提高物方空孔径的另一方法是提高物方空间的折射率，的折射率，“油浸物油浸物镜”便是用于便是用于这一目的。（如杉木油或二一目的。（如杉木油或二碘甲碘甲烷等），可使数等），可使数值孔径达到孔径达到1.5v光学光学显微微镜的极限分辨距的极限分辨距约为/3。提高提高显微微镜分辨力的可能性分辨力的可能性v提高提高显微微镜分辨率的另一途径就是用分辨率的另一途径就是用电子束来代替子束来代替光。根据德布光。根据德布罗意的物意的物质波理波理论，运，运动的的电子具有子具有波波动性，而且速度越快，它的性，而且速度越快，它的“波波长”就越短。就越短。v电子子显微微镜是是20世世纪最重要的最重要的发明之一。由于明之一。由于电子子的速度可以加到很高，的速度可以加到很高，电子子显微微镜的分辨率可以达的分辨率可以达到到纳米米级（10-9m）。）。照明系照明系统v直接照明直接照明v反射式照明反射式照明v透射照明透射照明v聚光聚光镜照明照明临界照明界照明柯勒照明柯勒照明临界照明界照明v光源光源物面（特点：窗物面（特点：窗对窗）窗）v优点：亮度高，点：亮度高，结构构简单v缺点：照度不均匀缺点：照度不均匀 柯勒照明柯勒照明v 光源光源成像系成像系统的入瞳（窗的入瞳（窗对瞳）瞳）v 集光集光镜物面（瞳物面（瞳对窗）窗）v优点：照度均匀点：照度均匀v缺点：缺点：结构复构复杂照明系照明系统与成像系与成像系统的匹配的匹配 照明系照明系统与成像系与成像系统的配合的配合应注意两点注意两点v瞳窗要瞳窗要衔接，接，这样既能保既能保证物体的照明范物体的照明范围又又可以充分利用光能可以充分利用光能v照明系照明系统必必须提供被照物体有足提供被照物体有足够的孔径角，的孔径角，能能满足成像系足成像系统的数的数值孔径，以确保成像系孔径，以确保成像系统的性能。的性能。显微微镜应用的拓展用的拓展 v从从对物体成像的特点来分，物体成像的特点来分，对近距离成像的光近距离成像的光学系学系统都可以都可以归类于于显微微镜，近代，近代显微微镜常在常在系系统中加入其它中加入其它镜组，以，以扩大大显微微镜的功能。的功能。筒筒长无限的无限的显微物微物镜 v优点：物点：物镜和和辅助物助物镜之之间是平行光，有利于装配和是平行光，有利于装配和调整，可以在其整，可以在其间加入棱加入棱镜、滤光片和偏振片，而不会引光片和偏振片，而不会引起像点位置的起像点位置的变化及化及产生双像、叠影等。生双像、叠影等。物物镜辅助物助物镜显微镜物镜的类型显微镜物镜的类型 低倍物镜低倍物镜 (3-6(3-6倍倍)中倍物镜中倍物镜 (8-20倍倍)高倍物镜高倍物镜 (40倍倍)平像场复消色差物镜平像场复消色差物镜反射式物镜反射式物镜显微微摄影系影系统显微微镜与与摄影系影系统组合合v摄影物影物镜直接置于目直接置于目镜的后方，使目的后方，使目镜所成的虚像，所成的虚像，成像在照相底片或成像在照相底片或CCD上。上。v摄影物影物镜直接代替目直接代替目镜，该目目镜称称为摄影目影目镜，为使使整个共整个共轭物像距不致于太大，目物像距不致于太大，目镜应设计成成负光光组。数字数字显微微镜v显微物微物镜的像面上，直接放置的像面上，直接放置CCD接收器，接收器，连接到接到计算机上，算机上，还可以可以对显微微镜的的图像像进行行测量和量和实时处理，理，图像的大小也可以通像的大小也可以通过CCD靶靶面上的象素面面上的象素面积计算出来算出来 望望远系系统v望望远系系统的的组成成v望望远系系统的放大率的放大率v望望远系系统的分的分类及特点及特点v望望远系系统的分辨力的分辨力v望望远系系统的有效放大率的有效放大率v望望远系系统的光束限制的光束限制v望望远镜的的辅助系助系统v目目镜望望远系系统的的组成及工作原理成及工作原理v组成：物成：物镜+目目镜v特点：物特点：物镜的像方焦点重合于目的像方焦点重合于目镜的物方焦点。的物方焦点。无焦系无焦系统望望远镜的工作原理的工作原理图改改变目目镜位置可以位置可以观察近距离物体察近距离物体望望远系系统的放大率的放大率v人眼直接人眼直接观察事物体察事物体对人眼的人眼的张角与物体角与物体对仪器器的的张角相等角相等v望望远系系统的的视放大率等于放大率等于仪器的角放大率器的角放大率v视放大率放大率还可以表示可以表示为 望望远系系统的分的分类v柯普勒型柯普勒型特点：目特点：目镜焦距焦距为正光正光组有中有中间实像，成倒像像，成倒像结构构长v伽利略型伽利略型特点：目特点：目镜焦距焦距为负光光组无中无中间实像，成正立像像，成正立像结构短构短柯普勒型柯普勒型伽利略型伽利略型望望远镜的分辨力的分辨力v理理论极限分辨角极限分辨角 v望望远镜的分辨力取决于入瞳直径的分辨力取决于入瞳直径D（mm）贵州贵州FAST 500米口径米口径望望远系系统的光束限制的光束限制v孔孔径径光光阑：望望远镜的的物物镜框框就就是是孔孔径径光光阑，也也是是入入瞳，出瞳位于目瞳，出瞳位于目镜像方焦点外像方焦点外侧附近。附近。v视场光光阑：物物镜像像方方焦焦面面上上的的分分划划板板是是视场光光阑，直径直径为：或或望望远镜中的中的辅助系助系统转像系像系统v 透透镜转像像一般有两种形式，一般有两种形式，单组正透正透镜和双和双组正透正透镜 v棱棱镜转像像透透镜转像系像系统单透透镜组转像像双透双透镜组转像像棱棱镜转像系像系统望望远镜中的中的辅助系助系统场镜v场镜是一个正透是一个正透镜组，将其放置在物，将其放置在物镜的焦面的焦面上，可以在不改上，可以在不改变系系统放大率的前提下，改放大率的前提下，改变轴外光束的走向，降低其在目外光束的走向，降低其在目镜上的高度，或上的高度，或让更多的光更多的光线通通过系系统，场镜物物镜目目镜目镜目镜v目目镜的放大率的放大率v目目镜的孔径与的孔径与视场v目目镜的的视度度调节目目镜的放大率的放大率v目目镜相当于放大相当于放大镜将位于焦点附近的物体成像于无限将位于焦点附近的物体成像于无限远至至250mm处。目目镜的孔径和的孔径和视场v目目镜用反向光路来分析用反向光路来分析入瞳即入瞳即为望望远系系统的出瞳，略大于人眼的瞳孔直径，焦距的出瞳，略大于人眼的瞳孔直径，焦距为25mm左右。左右。v目目镜相相对孔径孔径较小，属小孔径系小，属小孔径系统v目目镜视场为较大，属大大，属大视场系系统照相和投影系照相和投影系统v摄影（照相）系影（照相）系统 包括包括光学照相机、光学照相机、电视摄像机、像机、CCD摄像机和像机和数数码照相机等照相机等 v投影系投影系统 幻灯机、幻灯机、书写投影写投影仪、液晶投影、液晶投影仪、放映机等、放映机等照相系照相系统v组成成 由由摄影物影物镜和感光器件和感光器件组成成 v感光器件：感光器件：感光胶片、感光胶片、CCD、电子光学子光学变像管、像管、电视摄像管像管 v物物镜 主要参数主要参数：焦距：焦距：f ；视场：；相相对孔径：孔径：或光圈数：或光圈数：摄影物影物镜（一）（一）v焦距焦距 焦距决定成像的大小比例焦距决定成像的大小比例 拍拍摄远处物体物体 拍拍摄近近处物体物体航航摄镜头的焦距可达数百毫米甚至数米的焦距可达数百毫米甚至数米 摄影物影物镜（二）（二）v相相对孔径孔径 相相对孔径决定像面照度孔径决定像面照度 中心中心 边缘 光圈分光圈分值的方法：每增大一的方法：每增大一挡光圈光圈值，对应的像平面的像平面照度依次减半。照度依次减半。光圈光圈值按公比按公比的等比的等比级数数变化化 F1.4 22.8 45.6 8 11 16 22摄影物影物镜（三）（三）v视场 视场决定决定摄影系影系统成像的范成像的范围，视场的大小由物的大小由物镜的焦的焦距和接收器的尺寸决定。距和接收器的尺寸决定。长焦距和短焦距物焦距和短焦距物镜分分别称作称作远摄物物镜和广角物和广角物镜。普通照相机普通照相机标准准镜头的焦距介于两者之的焦距介于两者之间 常用接收器常用接收器规格格 名称名称长长宽宽（mm）名称名称长长宽宽（mm）135胶片 36 24 1CCD 12.8 9.6 120胶片 60 60 2/3CCD 8.8 6.6 16mm电影胶片 10.4 7.5 1/2CCD 6.4 4.8 35mm电影胶片 22 16 1/3CCD 4.4 3.3 航摄胶片 180 180 1/4CCD 3.2 2.4 230 230 v同一视场采用不同的接收器，要求的物镜焦距也不相同。胶片的尺寸大，要求物镜的焦距也大。CCD接收器小，镜头焦距也小。使用 6-15mm 镜头和一定大小CCD的数码相机与使用 28-72mm镜头的传统胶卷相机的视场范围可以是完全一样的。使问题更复杂化的是，数码相机中使用的CCD 大小并非完全一样。一般人使用 135mm 胶卷的相机时，很容易根据视场要求选择镜头的类型。为使数码相机的此参数也容易识别，许多制造商都将CCD镜头的焦距用等价135mm胶片的焦距来标称，称作等价135mm典型的值。普通相机与数普通相机与数码相机相机镜头的等价焦距的等价焦距 135mm胶片相胶片相机机 典型的数码相机典型的数码相机 视场范围视场范围 20mm 4.3mm 超广角 2135mm 4.77.5mm 广角 50mm 10.7mm 普通 70200mm 1443mm 远摄 分辨力分辨力v摄影影系系统的的分分辨辨率率是是以以像像平平面面上上每每毫毫米米内内能能分分辨辨开开的的线对数数来来表表示示，其其大大小小取取决决于于物物镜的的分分辨辨率率和和接接收收器器的分辨率的分辨率。v摄影影胶胶片片的的分分辨辨力力很很容容易易达达到到200l/mm，CCD的的分分辨辨力力取取决决于于象象素素的的大大小小，目目前前CCD的的象象素素尺尺寸寸为614微米，微米，对应的的线对数数为8535l/mm。各类镜头光学设计的差别各类镜头光学设计的差别（1）望远物镜v光学特性：相对孔径不大（1/5），视场较小（10）。v像差校正：球差、慧差和轴向色差（2）目镜v光学特性：焦距短（15-30mm）；相对孔径较小（1/5）；视场角大（40）。v像差校正：像散、垂轴色差和慧差。（3）显微物镜v光学特性：数值孔径决定系统的衍射分辨率v像差校正：球差、轴向色差和正弦差，特别是减小高级像差。（4）照相物镜v光学特性：焦距、相对孔径、视场角三者之间存在相互制约的关系。v像差校正：7类像差都要进行，而且在一定程度上也要校正高级像差。（5）鱼眼镜头v光学特性：焦距短、视场很大。畸变不可避免（6）折反射系统v光学特性：存在中心遮拦，一般用作望远物镜。v像差校正：同望远物镜（7）变焦距镜头v光学特性：视场角随焦距变化。v像差校正：焦距变化时，成像面位置保持不变，各对应的成像质量应满足要求。（8）投影镜头v光学特性：相对孔径大；出瞳距长；解像力高。v像差校正：对畸变要求高。（9）扫描镜头v光学特性：小孔径小像差；解像力要求较高。v像差校正：畸变；RGB单色像差；白光色差。（10）数码相机的光学镜头v镜头实际焦距和对应焦距v特点：v相对孔径较传统相机大；v分辨率要求较高；v体积较小，景深较大；v光学变焦倍数较大；v镜头增透膜的变化。