光学基础之光学系统-远心物镜、远距物镜、反远距物镜及畸变物镜知识介绍

1.1.5远心物镜
在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；另一方面，即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样亲会产生测量误差。

为了解决上述问题，可以采用远心物镜。

其中像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。

1）物方远心物镜
物方远心物镜是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，图1.1－23示出，当孔径光阑放在像方焦平面上时，即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并没有发生改变，即测得的物体尺寸不会变化；图1.1－24清楚地显示出物方远心光路的原理，其中孔径光阑位于像方焦面上，物方主光线平行于光轴。

如果物体B1B2正确地位于与CCD表面M共轭的位置A1上，那么它在CCD表面上的像为M1M2。

如果由于物距改变，物体B1B2不在位置A1而在位置A2，那么它的像B´1B´2偏离CCD表面，B´1和B´2点在CCD表面上投影为一个弥散斑，其中心仍为M1和M2点，按此投影像读出的长度仍为M2M1。

这就是说，上述物距改变并不影响测量精度。

图1－23
2）像方远心光路
像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。

如图1.1－25所示。

如果物体B1B2的像B´1B´2不与CCD表面M重合，则在CCD表
面M上得到的是B´1B´2的投影像，其散斑中心距离M1M2＝B´1B´2。

因此，不管CCD表面M是否和B´1B´2相重合，它和标尺所对应的长度总是B1B2，所以没有测量误差。

图1－24
图1.1－25 像方远心光路
1.1.6远距物镜
远距物镜是一种焦距很长而镜筒较短的物镜，从物镜前表面到像平面的距离小于焦距，这对于长焦距物镜来说，有利于缩短物镜的轴向尺寸。

远距型结构采取正负光焦度分离的型式，正光焦度的透镜组在前，负光焦度的透镜组在后，如图1.1－26所示。

整个系统的主面移出物镜之外，使得物镜的筒长—物镜前表面到焦面的距离小于焦距，从而缩小了物镜的结构尺寸。

在这里，筒长与焦距之比L/f´称为远距比。

远距比是远距物镜的重要指标，通常远距比小于1，并且越小越好。

按照上述原理构成的远距物镜，结构型式是各种各样的，尤其是前组，由于负担较大的光焦度，结构一般要比后组复杂。

图1.1－26 远距物镜的高斯光学
前组为三透镜结构，如图1.1－27所示，它的相对孔径为1：4。

图1.1－27 远摄物镜
1.1.7反远距物镜
反远镜是一种焦距较短而后截距很长的物镜，这样，在物镜和CCD之间可以加入分光镜，以实现取景等作用。

这种物镜的结构大多是具有负的前组镜和正的后组镜，见图1.1－28。

反远距物镜的孔径光阑和出射光瞳几乎重合并位于第二镜组的主平面上（图 1.1－28a），也可以将孔径光阑位于第二镜组前焦点附近（图1.1－28b）。

在这种情况下，像空间中主光线为远心光路这一设计原理是最理想的，但是在相对孔径大的物镜中难以实现。

图1.1－28 反远距摄影物镜的光路图
按照上述结构设计的反远距物镜，前组和后组有各种各样的结构型式。

负光焦度的前组从一个单片透镜直到非常复杂的结构，而正光焦度的后组往往采用Petzval型、三片型、双高斯型以及它们的复杂化结构。

前组为单片透镜而后组为三片型、双高斯型的反远距物镜，如图1.1－29所示，是反远距物镜最简单的结构。

它们的工作距离与焦距相当，视场角为60°左右，而相对孔径为1：3.5～1：2.5。

图1.1－29 前组为单负透镜、后组为三片型的反远距物镜
1.1.8畸变物镜
畸变物镜能够在它的像中预先引入规定的畸变。

当物镜存在很大的负畸变时，实际上能够拍摄角视场超过180°的物空间。

这种物镜用于宇航研究、气像测量中。

像的大小不是按式y´=－f ´tanω确定，而是，例如按下式确定：y´=－f ´sinω。

在后一情况中，当－ω＝90o 时，将得到y´= f ´，即像幅的对角线为焦距的两倍。

畸变物镜的原理图如图1.1－30a所示。

吉柳在1930年首先成功地实现了角视场180o和相对孔径1：22的畸变物镜（图1.1－30b）。

畸变物镜可以按照反远距物镜的光路图作
出。

第一组由一或二个透镜组成，并造成很大的畸变（图c、d）。

第二透镜组用于校正像差，以便获得清晰的像。

为了研制超广角物镜，像场角余弦四次方的影响是最大的障碍。

但是由于负的畸变，在像场边缘上光束深缩，因而在像场边缘上实际光学密度并不比视场中心低。

图1.1－30 畸变物镜的光学系统图。