镜头光学基础教程

鏡頭光學基礎

第一章：基礎光學名詞

在這個課程中，所要講的題目是“鏡頭檢測之光學基礎”。主要內容是有關鏡頭檢測所必須具備的光學基礎概念。我們將分兩個主題進行說明，第一個主題是“基礎光學名詞”的解釋，第二個主題則是“像差”觀念的介紹。

首先我們要進行的是“基礎光學名詞”的解釋，內容則包含：光軸/近光軸、六個基本點、焦距、F-Number 、光瞳與視場。

六個基本點與焦距是光學基礎中最基本的認知。讓我們來瞭解一下。六個基本點(在英文的名詞為6 cardinal points) ，它們是指：前焦點、後焦點、前主點、後主點、前節點和後節點；焦距則可分為前焦距、後焦距、前有效焦距和後有效焦距。

右邊的圖示是代表六個基本點與焦距的相關圖示。在談論光學規格時，我們經常會用到這些名詞，點選它們看圖解，在後面的課程中我們會一一來做介紹。

1-1光軸/ 近光軸

何謂光軸？光軸的英文名詞是Optical Axis，對於單一透鏡而言，由前後兩個面的曲率中心所定出的一條線，就稱為光軸。如果鏡片不止一片，也是以此類推，取所有面的曲率中心衍生出的直線，就是光軸。

近光軸的英文名詞為Paraxial Axis，也稱為順光軸，指的是極靠近光軸且沿著光軸之區域。如圖所示，紅線為光軸，綠色區域就是近光軸。

1-2 前/後焦點vs. 前/後焦距

我們先來看前焦點。如圖所示，紅色的平行光線沿著光軸從鏡片後方進來，通過透鏡，光線會聚焦到透鏡前方的點，這個光點我們就稱之為前焦點，我們以小f1表示。而前焦距Front Focal Lengrh指的就是：在光軸上，從前焦點到鏡片前頂點位置A的距離，英文縮寫為FFL 。

後焦距指的是平行光線沿著光軸從透鏡前方平行射入，匯聚到鏡頭後方的點，這個光點就稱為後焦點，以小f2表示。在光軸上，從後焦點到到透鏡後方的最頂點位置B，我們稱之為後焦距，英文名稱是Back Focal Lengrh，英文縮寫則以BFL 表示。

1-3 前/後主點vs. 前/後有效焦距vs. 主平面/主面

介紹了前焦點、後焦點與前焦距、後焦距之後，我們要介紹主點與有效焦距。什麼叫做主點呢？在圖中，平行光線沿著光軸由透鏡後方入射，經過透鏡折射並通過鏡片後，光線再由鏡片射出。我們將這平行入射光線做一延長線；而從鏡頭出射的光線，我們同樣的也對此出射光線做一延長線，兩個延長線的交會之處我們就稱為主點。由各個主點所構成的面就是我們說的主面，英文稱為“ principal surface”。主面實際上會有一點彎曲，而非平面。在極為靠近光軸上的主點，我們可看成是位於光軸上的主點，此光軸上的主點就是第一主點。由光軸上之主點，在垂直於光軸的方向上畫一平面，此平面稱為第一主平面。

同樣的，如果平行光是從透鏡前方入射，通過鏡片之後，聚焦到後焦點的位置，我們將這個平行入射光和鏡頭出射光各做一條延長線，兩延長線的交會點就是主點，在光軸上的主點我們稱為第二主點。由第一主點到前焦點之距離我們稱為前有效焦距。由第二主點到後焦點的距離就是後有效焦距。

何謂有效焦距?有效焦距指的就是主點到焦點之間的距離。一般而言，如果透鏡是放置在空氣中，那麼，前後的有效焦距是一樣的；如果透鏡一半置放在空氣，一半浸在水中，那麼前後的有

效焦距就會不一樣。在一般規格書上，所謂的焦距若沒有特別指明，那麼它指的就是有效焦距，不是前焦距，也不是後焦距，這是我們所必須特別注意的部分。

我們已經知道什麼是焦點什麼是主點，現在讓我們來瞭解一下焦點和主點的位置關係。不同形狀的透鏡，其焦點和主點的位置會有所不同。F1代表前焦點，F2代表後焦點，P1代表前主點，P2則代表後主點。以凸透鏡和凹透鏡來看，兩者的前焦點和後焦點的位置恰好相反，這是由於光線經過凸透鏡會聚焦在一點，而光線經過凹透鏡則會發散的關係。我們從這些圖可以歸納出一些定律：無論是凸透鏡或是凹透鏡，只要透鏡兩面對稱，它們的主點都會落在鏡片內；如果是平凸透鏡或平凹透鏡，那麼，鏡片的一個主點會落在鏡片內，另一個會落在鏡片的曲面上；至於雙月型的的透鏡，一個主點在鏡片內，另一個主點則會在鏡片之外。

1-4 節點

接下來，我們要介紹什麼是節點。當光線斜向入射於一個透鏡，經過透鏡之後會產生折射現象，再從透鏡射出。假設：該入射光線和光軸所形成的夾角，我們稱之為θ1；出射光線和光軸所形成的夾角，我們稱為θ2。如圖A所示，當θ1= θ2時，我們就可以定義出兩個節點。那麼，如何定義出節點的位置呢? 我們可以對入射光畫一條延長線，此延長線與光軸交會之處即為節點N1，而出射光之延長線與光軸交會之處則為另一個節點N2。

圖B則顯示光線未通過N1, N2的情形，此時，θ1不會等於θ2 。相反的，如果光線通過鏡片折射後，入射光線與光軸之夾角θ1不等於出射光與光軸之夾角θ2時，於就表示光線的延長線不會通過節點。

另外，我們要說明的一點是：當鏡片置於空氣中的時候，其節點位置與主點位置重合。也就是說：當鏡片置於空氣中的時候，節點就是主點。

1-5 主光線/邊緣光線/視場角

在這個單元，我們要認識一下主光線、邊緣光線、視場角和視場高度。點選這些名詞，瞭解它們的定義和圖解。

凡是通過光圈中心點的光線我們就稱為主光線。主光線可以有很多條。

邊緣光線指的是由光軸上的物點發出、且通過光圈邊緣的光線。

由射出之主光線所延伸的延長線和光軸所形成的夾角θ角，我們稱為視場角。而主光線的延長線與光軸相交會之處，即為出光瞳之位置。所以，視場角可看成是：由出光瞳發出之光線與光軸所夾之角度。事實上，不同的主光線決定出不同的視場角。到達成像面之最大邊緣處之主光線，就決定出最大視場角度。至於何謂出光瞳?將於後面的單元解釋。

視場高度指的是在成像面上主光線與光軸之間的距離，也就是眼睛可以看到的範圍。因此，從螢幕最邊緣的位置到鏡頭光軸位置之間的距離，我們就可以得知最大的視場高度是多少。

1-6 光瞳(光闌)

接下來，我們要介紹光瞳。

光瞳，亦稱為光闌，可分為四種：分別是孔徑光闌(Aperture Stop或Aperture Pupil )、視場