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
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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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