A3视场、孔径、空间带宽积和成像透镜基本参数
透镜设计参数
透镜设计参数包括入瞳直径EPD、相对孔径F/#、全视场角FFOV、波长Wavelength和玻璃Material等。
这些参数可以用来描述透镜的特性和性能，例如成像质量、光圈大小等。
入瞳直径EPD是指光线进入透镜的口径大小，它决定了透镜收集光线的能力。
相对孔径F/#是指透镜的光圈大小与焦距之比，它决定了透镜的透光能力和景深。
全视场角FFOV是指透镜能够成像的最大角度范围，它决定了透镜的视野范围。
波长Wavelength是指光线的颜色或频率，不同波长的光线对透镜的影响不同。
玻璃Material是指透镜的材料类型，不同材料的透镜具有不同的光学特性和物理特性。
通过合理选择和设计这些参数，可以制造出满足特定需求的高质量透镜产品。
工程光学三片型照相物镜的结构参数计算课件
选择适合的光学材料，满足镜头的光学性能和机 械强度的要求。
镜片加工
优化镜片的加工工艺，提高镜头的加工精度和装 配精度，减小镜头的误差。
加工与装配的考虑因素
镜片研磨与抛光
根据镜片材料和光学设计的要求，选择合适的研磨和抛光工艺， 提高镜片的表面质量和光学性能。
装配精度
提高镜头的装配精度，减小装配误差对镜头性能的影响。
工程光学三片型照相 物镜的结构参数计算 课件
目录
CONTENTS
• 工程光学基础知识 • 三片型照相物镜的结构 • 三片型照相物镜的结构参数计算 • 三片型照相物镜的设计优化 • 三片型照相物镜的应用实例
01
工程光学基础知识
工程光学的基本概念
01
02
03
光的本质
光是一种电磁波，具有波 粒二象性。
量的要求。
视场角的计算
视场角
照相物镜能够接收到的景物范围 的角度，是衡量照相物镜视野宽 度的指标。视场角越大，视野越
宽。
计算公式
视场角 = $frac{2 times arctan(frac{W}{2f})}{W/f}$，其中 $W$为视场宽度，$f$为焦距。
注意事项
视场角的计算需要考虑透镜的形状 、焦距等因素，以及成像质量的要 求。在计算过程中，还需要注意单 位的统一。
的分辨率和清晰度。
结构参数计算
望远物镜的结构参数与摄影物镜类似，但还需要考虑视场角、工 作距离等因素。这些参数的计算对于望远观测的效果至关重要。
优化设计
在望远物镜的设计过程中，同样需要不断优化结构参数，以提高 望远观测的效果。这需要综合考虑光学性能、机械加工和成本等
因素。
THANKS
A3 视场、孔径、空间带宽积和成像透镜基本全参数(I)
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。
文案文案⏹ 横向放大率()()22y y y y β''== （3.1）一般用CCD 、CMOS 拍摄时得到缩小的像，1β<。
⏹ 视场角2ω（角视场）和像高y '间的换算公式()122tany f ω-'= （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。
文案表3.1 CCD 规格镜头的孔径角u '常用F 数表示1(2)F u '= （3.3）3.2 空间带宽积22SBP nyun y u λλ'''==（3.4）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; λ：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uλ表示，孔径角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图3.3 光学元件文案文案表现能力越强。
➢ 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，1n '=，因而有2tan SBP y u y f F F ωλλλ'''=== （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，提高设计软图3.5 剖开的镜头结构图件的模拟功能和优化速度。
光学课程设计-望远镜系统结构参数设计
03
望远镜系统的设计流程
确定设计目标
望远镜系统的功能需求
望远镜系统的性能指标
望远镜系统的成本预算
望远镜系统的设计周期
望远镜系统的设计团队 和分工
望远镜系统的设计评审 和验收标准
选择合适的镜片材型：增透膜、反 射膜、偏振膜等
考虑因素：折射率、色 散、反射率、透射率等
统
定期保养
清洁镜片：使用专业清洁 剂和软布擦拭镜片，避免 刮伤
检查螺丝：检查所有螺丝 是否松动，如有松动及时 拧紧
调整焦距：定期调整望远 镜的焦距，确保清晰度
更换电池：定期更换望远 镜的电池，确保望远镜的 正常运行
存放环境：将望远镜存放 在干燥、通风的环境中， 避免潮湿和灰尘影响望远 镜的性能
感谢观看
望远镜系统通过调整物镜和目镜的距离， 实现对焦和放大功能
望远镜系统还可以通过调整物镜和目镜 的角度，实现对焦和放大功能的优化
02
望远镜系统的主要参数
焦距
焦距的作用：决定望远镜的 放大倍数和成像质量
焦距的定义：望远镜系统中， 从物镜到目镜的距离
焦距的选择：根据观测目标、 观测距离和观测环境等因素
进行选择
汇报人：
环境保护
监测大气污染：观测大气中的污染物浓度和分布 监测水质污染：观测水体中的污染物浓度和分布 监测土壤污染：观测土壤中的污染物浓度和分布 监测生物多样性：观测生物多样性的变化和保护情况
远程教育
远程教学：通 过望远镜系统 进行远程教学， 实现教育资源
的共享
远程会议：通 过望远镜系统 进行远程会议， 提高沟通效率
镜片形状：球面、非球 面、柱面等
镜片数量：单镜片、双 镜片、多镜片等
镜片安装方式：固定、 可调、自动等
镜头基本参数
一、镜头基本参数（一）镜头的结构及重要规格参数1.镜头的结构镜头由多个透镜、光圈和对焦环组成。
镜头中的玻璃镜片是镜头的核心。
但是只有玻璃镜片也没有用，光圈控制与对焦机构是镜头组成另外两个重要机构。
镜头的光圈可以分为固定光圈和可变光圈，其中可变光圈又可分为自动光圈和手动光圈。
同样的，对焦机构也有手动和自动之分。
如下图所示，在使用时由操作者观察相机显示屏来调整可变光圈和焦点，，以确保图像的明亮程度及清晰度。
2.镜头的焦距和视场任何一个复杂的透镜组合都可以等效为一个简单的透镜，光经过透镜的传播路线可以简单的画作下图：（1）、工作距离工作距离指的是镜头第一个面到所需成像物体的距离。
它与视场大小成正比，有些系统工作空间很小因而需要镜头有小的工作距离，但有的系统在镜头前可能需要安装光源或其它工作装置因而必须有较大的工作距离保证空间，通常FA镜头与监控镜头相比，小的工作距离就是一个重要区别。
（2）、焦距焦距是指镜头的光学中心（光学后主点）到成像面焦点的距离。
平行光通过镜头后汇聚于一点，这个点就是所说的焦点。
焦距不仅仅描述镜头的屈光能力，且可作为图像质量的参考。
一般镜头失真随着焦距的减小而增大，因而选择测量镜头，不要选择小焦距（小于8mm）或大视场角的镜头。
在光学系统当中，以镜头为顶点，以被测物体通过镜头的最大成像范围的两边缘构成的夹角叫做视场角。
视场角的大小决定了镜头的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率也就越小。
焦距越长，视场角就越窄；焦距越短，视场角就越宽。
工作距离指的是镜头最后一个面到其像面的距离。
通过目标物所需视场及透镜的焦距，可确定工作距离（WD）。
工作距离和视场大小由焦距和CCD大小来决定。
在不使用近摄环的情况下，可套用以下比例表达式获得：工作距离：视角 = 焦距：CCD大小假设焦距为16mm，CCD大小为 3.6mm，则工作距离应为200mm，这样才能使视场等于45mm。
如下图所示：一般适合工厂自动化的透镜的焦距是88mm/16mm/25mm/50mm。
几何光学基础—球面透镜成像(眼镜光学技术课件)
y l r nl
y
l -r
nl
一、单球面成像放大率
y nl
y nl
• 当 β<0 时，l与l’异号，即物、像分居折射面两侧；
此时表示成倒像，像的虚实与物一致，即实物成实
像或虚物成虚像。
• 当 β>0时，l与l’同号，即物、像分居折射面同
侧；此时表示成正像，像的虚实与物相反，即实
l' l
r
n2 n1
u2 u1
l 2 l1 d
眼轴长计算
转面公式
利用转面公式，求出第一面
到最后像面之间的距离
教学目的
思政元素
专业、敬业、精益求精
教学目标
掌握单球面放大率的计算方法
掌握共轴球面系统放大率的计算方法
知识目标
单球面放大率的计算方法
共轴球面系统放大率的计算方法
2
PART
03
眼轴长度计算
一、眼睛光学结构参数
角膜
曲率半径
折射率
厚度
房水
晶体
玻璃体
前
后
前
后
7.8
6.8
10.0
-6.0
1.376
1.336
1.406
0.5
3.1
3.0
1.336
二、眼轴长度计算
• 角膜前表面成像
n角膜 1 n角膜 1
l1
r1
• 角膜后表面成像n角膜Fra bibliotekl1
n角膜 1
1 2
l2 l1
n
。
一、单球面成像放大率
工程光学三片型照相物镜的结构参数计算课件
计算光圈大小
根据设计要求和光圈类型的选 择，计算出光圈的大小。
光学元件的相对位置与装配精度
确定透镜的相对位置
根据光学系统的设计要求和透镜的折射率，确定每个透镜的相对 位置。
确定光圈的相对位置
根据光学系统的设计要求和光圈的类型，确定光圈的相对位置。
计算装配精度
根据光学元件的相对位置和设计要求，计算出每个元件的装配精度。
产业协同
国际合作与交流
加强产业链上下游企业的合作与协同，推 动三片型照相物镜技术的产业化发展，实 现资源共享和优势互补。
积极参与国际合作与交流，学习借鉴先进 技术和管理经验，提升我国在工程光学领 域的国际地位和影响力。
THANKS
感谢观看
三片型照相物镜的优势
相对于单片和双片型照相物镜，三片 型照相物镜具有更高的成像质量，更 低的畸变和色差，以及更好的光路灵 活性，能够适应不同场景和需求。
工程光学在照相物镜设计中的应用
工程光学在照相物镜设计中的应用
利用工程光学原理和技术，对三片型照相物镜的镜片进行优化设计和组合，以实 现高质量的图像聚焦和光线校正。
工程光学三片型照相物镜的结构参 数计算课件
• 工程光学三片型照相物镜概述 • 三片型照相物镜的结构参数计算方法 • 三片型照相物镜的结构设计 • 三片型照相物镜的性能评估与测试 • 工程实例：三片型照相物镜的设计与应用 • 工程光学三片型照相物镜的发展趋势与挑
战
01
工程光学三片型照相物镜概述
照相物镜的功能与分类
位置，以确保系统的成像 元件的装配精度，以确保
质量。
系统的稳定性和使用寿命。
光学元件的参数选择与计算
01
02
03
04
第三章 光学成像系统的频率特性
H(u, v)
v c
c
沿x和y或u和v方向上的截止频率
均为：
c
l
2 d i
系统的最大截止频率在450方向上，
u 为：
c max
2l
2 d i
中国石油大学（华东）
信息光学及应用
3.6.1 非相干成像系统的光学传递函数
Ii ( xi , yi )
I g ( xo , yo )hI ( xi xo , yi yo )d xod yo
x
div
• S(u,v)
diu P(x+diu, y+div)
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信息光学及应用 3) OTF是光瞳重叠面积的归一化，即：
S(u, v) H (u, v)
S0 重叠面积取决于两个错开的光瞳的相对位置， 即：与频率(u,v)有关。
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信息光学及应用
4） 存在截止频率。当(u,v)足够大，两光瞳完全错开，重叠面 积为零，此时H(u,v)=0。即在截止频率以外的信息成分，其 OTF为0，不能通过系统到达像面。
所以，非相干照明时的截止频率，2c
l
di
H (u, v)
H(u, v)
v
v
2c
2c
u
c u
c
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信息光学及应用
例3.4.2：衍射受限系统的出瞳是直径为D的圆孔，求此系统的 光学传递函数OTF。
解：由于是圆形光瞳，OTF应该是圆对称的。只要沿u轴计算
H(u,v)即可。如图所示是在x轴方向移动diu后交叠面积的情
jk
xi di
x0 d0
x
yi di
y0 d0
光学设计望远镜知识点
光学设计望远镜知识点望远镜是一种用于观察远处物体的光学仪器，它通过透镜或者反射镜的组合来聚集和放大光线。
光学设计是指将透镜和反射镜的曲率、材料和间距等参数进行优化，以达到最佳的成像效果和观测性能。
以下将介绍几个光学设计望远镜涉及的重要知识点和技术。
1. 望远镜光路的基本组成望远镜光路由目镜和物镜组成。
物镜的主要作用是使光线在经过一个聚焦点后尽可能地准确地再次聚焦，从而形成清晰的像。
目镜的作用是进一步放大这个像，使人能够观察到更多细节。
光路的设计是望远镜设计的基础。
2. 球面像差和色差球面像差是由于透镜或者反射镜的曲率不合适而导致的成像不完美的问题。
为了解决球面像差，可以使用非球面透镜或者增加镜片的数量。
另一个常见的问题是色差，这是由于透镜材料对不同波长的光折射率不同而引起的。
色差可以通过使用具有不同折射率的玻璃或者涂层来减轻。
3. 畸变和像场平直度畸变是指像中不同位置的物体放大率不同，造成成像不准确的问题。
畸变可以分为柱面畸变和畸变畸变两种类型。
像场平直度是指在整个视场范围内，像点的光轴是否足够平行。
通常，设计师需要通过优化透镜和反射镜的曲率以减小畸变和提高像场平直度。
4. 换能器和增益换能器是将光信号转换为电信号的装置，通常使用光电倍增管或者光电二极管。
增益是指光电信号在传输过程中的增加程度。
一个好的望远镜光学设计不仅要考虑到成像质量，还要注意提高光电信号的增益，以最大程度地提高观测的灵敏度和分辨率。
5. 孔径和分辨率孔径是指望远镜物镜或者反射镜的直径。
较大的孔径意味着能够收集更多的光线，因此能够提供更高的分辨率和更清晰的图像。
分辨率是指望远镜能够分辨两个相距很近的物体的能力。
分辨率与波长和孔径的关系密切，可以通过提高孔径或者缩短波长来提高分辨率。
6. 光学涂层光学涂层是一种在透镜或者反射镜表面添加的薄膜层，用于减少反射和增加透过率。
不同的光学涂层可以用于不同的目的，如抑制残余光、减轻色差和降低反射率。
A3视场孔径空间带宽积和成像透镜基本全参数
A3视场孔径空间带宽积和成像透镜基本全参数
1. 视场(Field of View, FOV)是指成像系统能够覆盖的空间范围。
对于一般的成像系统来说，FOV通常用角度或者长度来表示，这取决于系统的构成和应用需求。
在实际应用中，为了能够满足系统成像要求，需要选择合适的视场大小，以保证成像的完整性和准确性。
2. 孔径(Aperture)是指透镜或光学系统的光学元件所限定的光线通过的有效区域。
孔径大小直接影响到系统的分辨能力和透射光线的数量。
通常情况下，孔径越大，系统的分辨率越高，但是也会增加系统的成本和复杂度。
因此，在设计光学系统时，需要根据实际需要和性能指标来选择适当的孔径大小。
3. 空间带宽积(Spatial frequency bandwidth product)是指系统在频域上的信息量，它反映了系统对物体细节的分辨能力。
通常情况下，空间带宽积越大，系统的分辨率和成像质量越高。
但是，空间带宽积的增大也会使系统变得更加复杂和昂贵，因此在设计系统时需要权衡各种因素。
4.成像透镜是光学系统中的一个关键组成部分，它直接影响到系统的成像质量和性能。
在选择透镜时，需要考虑其材料、形状、曲率等参数，以满足系统的成像需求。
同时，透镜的设计和制造质量也对系统的成像效果有着重要的影响。
在光学系统设计和优化过程中，视场、孔径、空间带宽积和成像透镜等参数需要综合考虑，以实现系统的最佳性能。
通过合理选择和调整这些参数，可以提高系统的成像质量和系统整体性能，满足实际应用需求。
因此，深入理解和熟练掌握这些参数的意义和作用对于光学工程师和研究人员来说至关重要。
摄象机的主要技术指标
镜头是电视监控系统中必不可少的部件，镜头与CCD摄像机配合，可以将远距离目标成像在摄像机的CCD靶面上。
镜头的种类繁多，从焦距上分类，可分为短焦距、中焦距、和焦距和变焦距镜头；从视场的大小分类，可分为广角、标准、远摄镜头；从结构上分类，还可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三可变镜头（指光圈、焦距、聚焦这三者均可变）等类型。
由于镜头选择得合适与否，直接关系到摄像质量的优劣，因此，在实际应用中必须合理选择镜头。
1、镜头的参数镜头的光学特性包括成像尺寸、焦距、相对孔径和视场角等几个参数，一般在镜头所附的说明书中都有注明，以下分别介绍。
A、成像尺寸镜头一般可分为25. 4mm（lin）、16. 9mm（2/3in）、12. 7mm（1/2in）、8.47mm（1/3in）和6.35mm（1/4in）等几种规格，它们分别对应着不同的成像尺寸，选用镜头时，应使镜头的成像尺寸与摄像机的靶面尺寸大小相吻合。
表2-1列出了几种常见CCD芯片的靶面尺寸，表中单位为mm。
标称芯片尺寸。
CCD感光靶面尺寸25. 4 16. 9 12. 7 8. 47 6. 35对角线16 11 8 6 4.5垂直9.6 6.6 4.8 3.6 2.7水平12.7 8.8 6.4 4.8 3.6表2-1 几种常见CCD芯片的靶面尺寸由表2-1可知，12. 7mm（1/2in）的镜头应配12. 7mm（1/2in）靶面的摄像机，当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小（参见图2-2），而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时，就会影响成像，表现为成像的画面四周被镜筒遮挡，在画面的4个角上出现黑角。
B、焦距在实际应用中，经常会有用户提出该摄像机能看清多么远的物体或该摄像机能看清多么宽的场景等问题，这实际上由所选用的镜头的焦距来决定，因为焦距决定了摄取图像的大小，用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时，配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大，反之，配短焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就小。
视场 焦距 口径计算公式
视场焦距口径计算公式视场、焦距、口径计算公式。
视场、焦距、口径是摄影领域中非常重要的概念，它们在摄影过程中起着至关重要的作用。
对于摄影爱好者来说，了解视场、焦距、口径的计算公式是十分必要的。
本文将介绍视场、焦距、口径的概念及其计算公式，希望能够帮助读者更好地理解摄影知识。
首先，让我们来了解一下视场的概念。
视场是指从镜头中能够看到的范围，也可以理解为镜头所能够捕捉到的景物范围。
视场的大小与焦距和相机传感器的尺寸有关。
一般来说，焦距越长，视场就越窄；焦距越短，视场就越宽。
而相机传感器的尺寸也会影响视场的大小，传感器越大，视场就越宽。
接下来，让我们来了解一下焦距的概念。
焦距是指从镜头到成像平面的距离，它决定了镜头的成像能力。
焦距越长，镜头成像的范围就越窄，可以拍摄到更远处的景物；焦距越短，镜头成像的范围就越宽，可以拍摄到更广阔的景物。
焦距的单位通常为毫米。
最后，让我们来了解一下口径的概念。
口径是指镜头的光圈大小，它决定了镜头进光的数量和质量。
口径越大，镜头进光的数量就越多，可以拍摄到更明亮的景物；口径越小，镜头进光的数量就越少，可以拍摄到更昏暗的景物。
口径的单位通常为F值，如F2.8、F4等。
有了视场、焦距、口径的基本概念后，我们接下来来介绍一下它们的计算公式。
首先是视场的计算公式。
视场的计算公式为：视场 = 2 arctan(传感器尺寸 / (2 焦距))。
其中，传感器尺寸为相机传感器的对角线长度，焦距为镜头的焦距。
通过这个公式，我们可以计算出特定焦距下的视场大小。
接下来是焦距的计算公式。
焦距的计算公式为：焦距 = 传感器尺寸 / (2 tan(视场 / 2))。
通过这个公式，我们可以计算出特定视场下需要的焦距大小。
最后是口径的计算公式。
口径的计算公式为：口径 = 焦距 / 光圈值。
通过这个公式，我们可以计算出特定焦距和光圈值下的口径大小。
通过视场、焦距、口径的计算公式，我们可以更好地了解镜头的性能和拍摄效果，从而更好地掌握摄影技巧。
平场聚焦镜设计参数
平场聚焦镜设计参数
3. 成像质量：平场聚焦镜的设计应追求良好的成像质量，即图像的清晰度、畸变、色差等 方面的表现。成像质量受到光学设计和镜片材料的影响。
4. 波长范围：平场聚焦镜的设计应考虑到所需工作波长范围内的成像性能。不同波长的光 线在透镜中会发生折射和色散，因此需要选择合适的材料和设计来减少色差。
5. 光学直径（Aperture）：光学直径是指平场聚焦镜的有效光学孔径。较大的光学直径 可以提供更多的入射光线，增加光通量和分辨率。
平场聚焦镜设计参数
6. 材料选择：平场聚焦镜的材料选择对于成像质量和波长范围都有重要影响。常见的材料 包括玻璃、晶体和塑料等。
这些参数是平场聚焦镜设计中的一些关键考虑因素，设计师需要根据具体的应用需求来确 定适合的参数范围，并进行光学设计和优化，以实现所需的成像效果。
平场聚镜设计参数
平场聚焦镜是一种光学器件，用于将来自无限远物体的光线聚焦到平面上。以下是平场聚 焦镜设计中的一些重要参数：
1. 焦距（Focal Length）：焦距是指光线通过平场聚焦镜后在焦点处聚焦的距离。焦距 决定了聚焦镜的放大倍数和成像质量。
2. 视场（Field of View）：视场是指平场聚焦镜能够同时观察到的物体范围。视场通常 以角度或直径表示，较大的视场意味着更广阔的观察范围。
（最新）光学系统外形尺寸计算
根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计过程称为光学系统的外形尺寸计算。
光学系统的外形尺寸计算要确定的结构内容包括系统的组成、各光组元的焦距、各光组元的相对位置和横向尺寸。
外形尺寸计算基本要求：第一，系统的孔径、视场、分辨率、出瞳直径和位置；第二，几何尺寸，即光学系统的轴向和径向尺寸，整体结构的布局； 第三，成像质量、视场、孔径的权重。
一、只包括物镜和目镜的望远系统计算一个镜筒长L=f1′+f2′=250mm ，放大率Γ= -24，视场角2ω=1º40′的刻普勒望远镜的外形尺寸。
（一） 求物镜和目镜的焦距⎩⎨⎧='='⇒⎪⎩⎪⎨⎧-=''-=Γ='+'=m mf m m f f f f f L 1024024250212121（二） 求物镜的通光孔径物镜的口径取决于分辨率的要求，若使物镜的分辨率与放大率相适应，可根据望远镜的口径与放大率关系式Γ≥D1/2.3求出D1,只是为了减轻眼睛的负担,才取物镜的口径D1=1.5Γ=36mm （三） 求出瞳直径5.11=Γ='DD（四） 视场光阑的直径D398.601455.02402213=⨯⨯='=ωtg f D（五） 目镜的视场角2ω′03382,51193492.001455.0240'=''='⇒=⨯=Γ='ωωωωtg tg（六） 求出瞳距lz ′42.102401010101222=⨯+='-'+'='f f f f lz（七） 求目镜的口径D278.83492.042.1025.1212=⨯⨯+=''+'=ωtg l D D z（八） 目镜的视度调节5.010001051000522±=⨯±='±=f x（九） 选取物镜和目镜的结构由于物镜的相对孔径D/f ′=36/240=1/6.67，焦距f ′=240mm ，选用双胶合物镜即可。
第6章 焦距、孔径与成像的关系
景深的计算
2CFf 2 L2 Δ = Δ1 + Δ 2 = 4 f − C 2 F 2 L2
景深影响因素—光圈
景深影响因素—焦距
24mm,F2.8
50mm,F2.8
100mm,F2.8
景深影响因素—物距
景深的应用——大景深
景深的应用——小景深
景深标尺
当前拍摄距离
距离信息 景深标尺 F数
镜头—变焦镜头
焦距连续变化，使用方便 成像质量低于固定焦距镜头
镜头—镜头变焦原理改变透镜组间的
距离，从而改变 镜头的等效焦距
组合光学系统等效焦距：
f1 f 2 f = f1 + f 2 − d
镜头—变焦镜头特殊效果
*按下快门的瞬间变焦
镜头—防抖动镜头
标识:IS (Image Stabilizer) 使用较慢快门时影像变模 糊，尤其是使用长焦镜
提高透过率—镀膜
镜头表面呈蓝紫色、微红色、淡绿色等 光干涉原理：1/4波长 提高透射：59% 97% 镀膜方法：化学法----牢固、透光力差 物理法----不牢固、透光力强
6.6调焦和近摄
调焦：通过改变物镜和像平面的距离来满足物 像的共轭关系。 对焦方式 手动 自动 主动式 被动式 眼控式
被动对焦过程
准确对焦要操作要点
1.快门按钮的正确操作
没有按下时的状态 将相机对准拍摄对象调整构图 半按状态 自动对焦框变成绿色后，表示对焦成功 完全按下 保持自动对焦框为绿色，按下快门按钮
准确对焦要操作要点
2.正确选择对焦模式
自动对焦框［智能面部优先］ 仅对人物面部产生反应的自动 对焦模式 自动对焦框［中央］ 最基本、易用的自动对焦模式
镜头—中焦镜头
显微镜物镜的五个基本参数
显微镜物镜的五个基本参数一、数值孔径(NA)子午光线能进入或离开纤芯(光学系统或挂光学器件)的最大圆锥的半顶角之正弦，乘以圆锥顶所在介质的折射率，数值孔径是判断物镜性能(分辨率、焦深、亮度等)的重要指数。
数值孔径又叫镜口率，简写为NA。
它是由物体与物镜间媒质的折射率(n)与物镜孔径角的一半(θ\2)的正弦值的乘积，其大小由下式决定：NA=n×sinθ/2。
数值孔径简写NA(蔡司显微镜的数值孔径简写CF)，数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数，是判断两者(尤其对物镜而言)性能高低(即消位置色差的能力，蔡司公司的数值孔代表消位置色差和倍率色差的能力)的重要标志。
其数值大小分别标在物镜和聚光镜的外壳上。
孔径角又称“镜口角”，是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。
孔径角越大，进入物镜的光通亮就越大，它与物镜的有效直径成正比，与焦点的距离成反比。
显微镜观察时，若想增大NA值，孔径角是无法增大的，唯一的办法是增大介质率n值。
基于这一原理，就产生了水浸系物镜和油浸物镜，因介质的折射率n值大于1，NA 值就能大于1。
数值孔径最大值为1.4，这个数值在理论上和技术上都达到了极限。
目前，有用折射率高的溴萘作介质，溴萘的折射率为1.66，所以NA 值可大于1.4。
与其他参数的关系：数值孔径是显微镜物镜的重要参数，决定了物镜的分辨率。
与物镜的放大倍数，工作距离，景深有直接关系。
一般来说，它与分辨率成正比，与放大率成正比，焦深与数值孔径的平方成反比，NA值增大，视场宽度与工作距离都会相应的变小。
容易产生的误区：数值孔径与分辨率成正比，但这并不是说在选择物镜的时候一定要选择数值孔径(NA)最大才是最好，因为物镜还会有很多其他重要参数，比如荧光透过率、工作距离等等，最好根据自己的实验选择。
二、焦深焦深也叫景深，其定义是：指使用显微镜观察和拍摄样品表面时，从对准焦点的位置开始，改变物镜与样品表面的距离时，对焦能够保持清晰的范围。
LENS基本知识
一）有效焦距EFL有效焦距(Effect Focal Length)是从透镜的主点到焦点在光轴上的距离。
根据EFL的大小可将Lens分为：标准镜头38㎜＜EFFL＜61㎜广角镜头（Wide）EFFL＜38㎜望远镜头（Tele）EFFL＞61㎜二）光圈数FNO.FNO.=EFL/入瞳直径＝1/相对孔径相对孔径=入瞳直径/EFL，系统的入光量与相对孔径的平方成正比FNO.可分为：Infinite:平行光系统使用的FNO.Working FNO.:Working Distance 时使用的FNO.三）总长 Total Track定义：系统的第一面至像面间的距离。
它决定整个光学系统的外形的大小。
四）后焦 BFL后焦（Back Focal Length）是指在最佳成像距离lens最后一个面至像面在光轴上的距离。
BFL可分为：光学后焦：指Lens最后一个光学面顶点至像面的距离机械后焦：指Lens Barrel最后一个机械面至像面的距离五）视场定义为一个光路系统中，可以成像的范围。
视场的表示：物高：所能成像的物的大小（在有限远时）半场角：光学系统习惯是一个对称系统，所以通常都只取一半视场角做为定义（在无限远时）。
六）放大率 Magnification：垂轴放大率：又称之为放大率，是指当对象通过一个Lens组件成像后，在像面(Image)上所成像的高度与物高的比率。
其余两种为：横向放大率及角放大率。
公式 : M=Image size/Object size简易法:M=像距/物距，只能用于物像空间介质相同时。
一）主面主点主面的定义：所谓的主面就是在Lens系统中放大率为+1的两个共轭面主面的位置：Lens系统均有两个主面，分为前主面和后主面或者称之为物方主面和像方主面，在高斯光学中，主面为一与光轴相垂直的平面主点的定义：所谓的主点就是主面与光轴的交点，它可分为前主点和后主点主点的位置：主点位于光轴上，是主面与光轴的交点二）Lens系统中光束的限制在任何Lens系统对能够进入系统的光束都有一定的选择性，而这些功能是通过光阑来实现的。
天文望远镜的光学指标
天文望远镜的基本光学性能指标评价一架望远镜的好坏，首先要看它的光学性能，其次看它的机械性能（指向精度与跟踪精度).光学望远镜的光学性能一般用下列指标来衡量:1.物镜口径（D）望远镜的物镜口径一般指有效口径,也就是通光口径（不是简单指镜头的直径大小），是望远镜聚光本领的主要标志，也决定了望远镜的分辨率（通俗地说，就是看得清看不清)。
它是望远镜所有性能参数中的第一要素。
望远镜的口径愈大，聚光本领就愈强，愈能观测到更暗弱的天体，看亮天体也更清楚，它反映了望远镜观测天体的能力，因此，爱好者在经济条件许可的情况下，应尽量选择口径较大的望远镜。
2。
焦距(f)望远镜的焦距主要是指物镜的焦距。
望远镜光学系统往往由两个有限焦距的系统组成，其中第一个系统（物镜)的像方焦点与第二个系统(目镜）的物方焦点相重合.物镜焦距常用f表示，而目镜焦距常用f'表示。
比如F700´60天文望远镜的物镜焦距（f）为700mm。
目镜PL9的焦距(f’）为9mm。
物镜焦距f是天体摄影时底片比例尺的主要标志.对于同一天体而言，焦距越长，天体在底片上成的像就越大。
3.相对口径（A）与焦比（1/A)相对口径A又称光力，它是望远镜的有效口径D与焦距f之比,即A=D/f。
它的倒数（1/A）叫焦比（即f/D,照相机上称为光圈数)。
例如70060天文望远镜的相对口径A（=60/700)≈1/12,焦比f/D （=700/60)≈11.67。
相对口径越大对观测行星、彗星、星系、星云等延伸天体越有利，因为它们的成像照度与望远镜的相对口径的平方（A2）成正比；而流星或人造卫星等所谓线形天体的成像照度与相对口径A和有效口径D的积(D2/f）成正比.因此，作天体摄影时，要注意选择合适的A或焦比。
一般说来，折射望远镜的相对口径都比较小，通常在1/15~1/20，而反射望远镜的相对口径都比较大，常在1/3.5~1/5。
观测有一定视面的天体时,其视面的线大小和f成正比,其面积与f2成正比。
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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。
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⏹ 横向放大率
β=
（3.1）
一般用CCD 、CMOS 拍摄时得到缩小的像，1β<。
⏹ 视场角2ω（角视场）和像高y '间的换算公式
()1
22tan
y f ω-'= （3.2）
其中f 为焦距，y '为圆形探测器的
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半径，或矩形探测器对角线长度的一半。
表3.1 CCD 规格
镜头的孔径角u '常用F 数表示
1(2)F u '= （3.3）
3.2 空间带宽积
22SBP nyu
n y u λ
λ
'''
=
=
（3.4）
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; λ：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uλ表
示，孔径角
图3.3 光学元件
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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，1n '=，因而有
2tan SBP y u y f F F ωλ
λλ''
'=
== （3.5）
⏹ 空间带宽积给出成像系统可能达到
图3.4 光学元件加工车间
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
图3.5 剖开的镜头结构图件的模拟功能和优化速度。
主要设计软件如ZEMAX,
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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
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折射率（N ）和阿贝数（νd ）是材料的两个重要指标，νd 越大色散越小。
1d d F C n n n ν-=
- （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
3.4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：
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➢ 物像距
12L f f ≈+ （3.7）
➢ 放大率
21f f β= （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
像距＝物距＝1f
（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。
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表3.5 Custom 成像物镜的名称、结构和应用（0.55μm λ=）名称
结构图
视场
22y ω'
F 数
焦距 f
空间带宽积 SBP
客户 应用
13.7/2.7o 4.35
9 0.55
CTS
批量生产 三片式 （复杂）
22/11.5o
6.66
27 1.57
FILTROPAG
完成样品，可批量生产 三片式 （复杂）
7/4.84o
2.5 4
3.6 1.74
哈工大样品，购买设计
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双高斯
24.4/8.52
o
4 15.3 1.92
SMA
200件
双高斯 （变形）
27/13o
2.8 14.4 4.18
生物物理所
样品
双高斯 （变形）
24.2/18.5o
2.54
43 6.64
哈工大样品（购买设计）
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双高斯 （变形）
266（'2y ）
35
78.1
6.67
AGFA 样品
F 数越小，光束会聚角u '就越大。
可以证明像的照度
2
2
sin B u E τπβ
'= （3.9） β：放大倍率；τ：系统透过率；B ：物体亮度。
因此要考
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。
➢由以上两表可见，不同设计、不同复杂程度的物镜所能承载的信息量（SBP）差别很大，在设计成像系统或搭建光学信息处理系统时应根据使用要求恰当地选择物镜。
⏹合理的设计和选择应当是性能、价格的优化、折衷和平
衡。
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