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0431-81702023
光學工程
三種鏡頭的設計差別解析
一、照相鏡頭
       照相鏡頭的光學特性可由三個參數來表示,即照相鏡頭的焦距f'、相對孔徑d/f'和視場角2ω'。其實就135 照相機而言,其標準畫幅已確定為24mm x 36mm,則其對角線長度為2d=43.266。從下表我們可以得出照相機鏡頭的焦距f'和視場角ω'之間存在著以下關系: tgω'=d/f'
式中:2d——畫幅的對角線長度;
f'——鏡頭的焦距。
       照相機鏡頭的另一個最重要的光學特征指標是相對孔徑。它表示鏡頭通過光線的能力,用d/f'表示。它定義為鏡頭的光孔直徑(也稱入瞳直徑)d 與鏡頭焦距f'之比相對孔徑的倒數稱為鏡頭的光圈系數或光圈數,又稱f 數,即f=f'/d。當焦距f'固定時,f 數與入瞳直徑d 成反比。由于通光面積與d 的平方成正比,通光面積越大則鏡頭所能通過的光通量越大。因此當光圈數在最小數時,光孔最大,光通量也最大。隨著光圈數的加大,光孔變小,光通量也隨之減少。如果不考慮各種鏡頭透過率差異的影響,不管是多長焦距的鏡頭,也不管鏡頭的光孔直徑有多大,只要光圈數值相同,它們的光通量都是一樣的。對照相機鏡頭而言,f 數是個特別重要的參數,f 數越小,鏡頭的適用范圍越廣。與目視光學系統相比,照相物鏡同時具有大相對孔徑和大視場,因此,為了使整個象面都能看到清晰的并與物平面相似的象,差不多要校正所有七種象差。照相物鏡的分辨率是相對孔徑和象差殘余量的綜合反映。在相對孔徑確定后,制定一個既滿足使用要求,又易于實現的象差最佳校正方案。為方便起見,往往采用“彌散圓半徑”來衡量象差的大小,最終則以光學傳遞函數對成象質量作出評價。
      近年來興起的數位相機鏡頭同上述的傳統相機鏡頭的特性和設計評價上大同不異,其主要差別有:
      1.相對孔徑較傳統相機大。
      2.較短的焦距,使得景深范圍增大。可根據視場角的大小算出相當傳統相機鏡頭的焦距值f’=43.266/(2*tgω)。
      3.較高的分辨率,根據光電器件的pixel 的大小,一般數位鏡頭光學設計要達到1/(2*pixel)線對。
二、投影鏡頭
      投影物鏡是將被照明的物成一明亮清晰的實像在屏幕上,一般講,像距比焦距大的多,所以物平面在投影物鏡物方焦平面外側附近。
投影物鏡的放大率是測量精度、孔徑大小、觀測范圍和結構尺寸的的重要參數。
      放大率愈大,測量精度愈高,物鏡孔徑愈大。當工作距離一定時,放大率愈大,共軛距愈大,投影系統結構尺寸越大。由于其是起放大作用,自光學知識可知,像面中心照度與相對孔徑平方成正比,可用增大相對孔徑的方法來增加象面照度。
      液晶式投影機上所用的投影鏡頭同傳統的投影物鏡的區別:
     1.相對孔徑較大;
     2.出瞳距長,即需要設計成近遠心光路;
     3.工作距離長;
     4.解像力高;
     5.畸變要求高。
     以上幾點,皆使得用于lcd 投影機上的投影物鏡較傳統的要復雜的多,一般要10 個鏡片左右,而傳統的一般只要3 個鏡片就能達到。
三、掃描鏡頭
     掃描物鏡可用三個光學特性來表示,即相對孔徑、放大率和共軛距。放大率是掃描物鏡的一個重要指標,由于一般物體大小是固定的,故放大率愈小,意味著鏡頭的像面愈小,焦距也就愈短,相對來講掃描系統結構可以做的更小,但同時要求鏡頭的解像力也愈高。共軛距是指物像之間的長度,對鏡頭來講,一般希望其愈長愈好,共軛距愈短,意味著鏡頭愈難設計(視場角增大)。其原理圖同照相物鏡一樣,是一個縮小的過程。
     掃描物鏡的設計特點:
     1.掃描物鏡屬于小孔徑小象差系統,要求的光學解像力較高。
     2.由于光電器件的原因,不僅要校正白光(混合光)的象差,同時需要考慮r、g、b 三種獨立波長的象差。
     3.嚴格校正畸變象差。

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