Die Hauptparameter optischer Linsen

Im Bereich der Optik spielen die Parameter optischer Linsen eine entscheidende Rolle für ihre Leistung und Anwendung. Das Folgende ist eine detaillierte und eingehende Analyse der wichtigsten Parameter optischer Linsen, kombiniert mit praktischen Anwendungsbeispielen, um zu veranschaulichen.

Brennweite: Der Controller des Bildgebungsverhältnisses

Die Brennlänge als eines der Schlüsselelemente des optischen Systems ist definiert als der Abstand vom Hauptpunkt zum Brennpunkt. Es spielt eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der proportionalen Beziehung zwischen dem Bild und dem tatsächlichen Objekt. Wenn der Objektabstand konstant gehalten wird, werden lange Linsen der Brennweite bevorzugt, wenn ein großes proportionales Bild gewünscht wird.

Zum Beispiel müssen Fotografen in der Wildtierfotografie häufig scharfe Details von Tieren festhalten, ohne sich nahe genug zu stellen, um sie zu stören. In diesem Fall kann die Verwendung einer langen Brennweite (z. B. 600 mm oder sogar länger) das entfernte Tier näher bringen, so dass es einen größeren Teil des Bildes und die Details des Tieres, der Augen und anderer Merkmale des Tieres einnimmt sind deutlich gezeigt.

In der Architektur eines optischen Systems gibt es einen Unterschied zwischen der Objektfokuslänge (vorderer Brennweite f) und der Bildfokuslänge (F '). Die Objektfokuslänge ist der Abstand vom Hauptobjektpunkt H zum Objekt -Schwerpunkt -Punkt F. Die Bildfokuslänge ist der Abstand vom Hauptbildpunkt H 'zum Bildschwerpunkt F'. Die positiven und negativen Eigenschaften hängen von der Richtung des Hauptpunkts auf den Brennpunkt ab, und die Ausbreitungsrichtung des Lichts ist gleich, wenn die beiden die gleiche Richtung sind, die Fokuslänge des Positiven; Ansonsten ist es negativ. Es ist erwähnenswert, dass im Fall eines Systems mit demselben Medium auf beiden Seiten die bildseitige Brennweite und die objektseitige Brennweitenlänge die Eigenschaft aufweisen, den Wert gleichwertig und entgegenzuwirken, dh f '= = -F.

Relative Aperture und Blendenzahl (F-Number): Anpassungszentren zur Bildbeleuchtung

Die relative Apertur ist das Verhältnis des Durchmessers des Schülers zur Brennweite (d/f), was hauptsächlich die Beleuchtung der Bildebene beeinflusst. Die Beleuchtung der Bildebene einer fotografischen Linse ist proportional zum Quadrat der relativen Apertur. In Szenen mit schlechten Lichtverhältnissen, wie z. B. Nachtfotografie oder wenn sehr kurze Belichtungszeiten erforderlich sind, um Hochgeschwindigkeitsbewegungen zu erfassen (z. und daher ist eine große relative Blende erforderlich. Objektive verwenden normalerweise die Aperturnummer F, um die Größe der Blende anzuzeigen, und die Aperturnummer F ist die Gegenseitigkeit der relativen Apertur, dh f = f '/d.

Sichtfeld und Bildebene Größe: Definieren von Elementen des Aufnahmefelds der Sichtweise

Das Sichtfeld einer Linse bestimmt das Ausmaß der fotografierten Szene. Angesichts der Tatsache, dass fotografische Systeme dazu neigen, entfernte Objekte abzubilden, befindet sich die Bildebene im Allgemeinen in der Nähe der Brennebene. Daher kann die Beziehung zwischen der Größe der Bildebene und dem Sichtfeld 2W 'als Formel ausgedrückt werden: y' = f'tanw ', wobei y' den Radius der Bildebene darstellt.

Im Bereich der Industriekameras, CCD- oder CMOS -Sensoren als gemeinsamer Bildgesichtsempfänger, unterteilt in zwei Typen in Gesichtsarray und Linienarray. In den Parametern der Linse wird die Größe des Sensors häufig auch verwendet, um die Größe des Sichtfelds anzuzeigen.

Gesichtsarray-Sensoren haben einen rechteckigen Arbeitsbereich, dessen Größe normalerweise in Bezug auf die diagonale Länge gemessen wird. Linien-Array-Sensoren haben Pixeleinheiten in einer einzigen Reihe angeordnet, und ihre Spezifikationen werden in Bezug auf die Anzahl und Größe der Pixeleinheiten ausgedrückt. Die Spezifikationen der Linienarray -Sensoren betragen 1k, 2k, 4k, 8k, 12k usw. und die Pixeleinheiten beträgt 5 & mgr; m, 7 & mgr; m, 10 & mgr; m, 14 & mgr; m und so weiter.

Für denselben Sensor kann die lange Brennweite einer kleineren Sichtfeld entspricht, weit weg von der Szene, um ein größeres Bild zu schießen, sodass in der Langstreckenfotografie-Szene weit verbreitet ist und als Teleskopkopf bezeichnet wird. Die kurze Fokusweite-Linse hat ein größeres Sichtfeld, kann in der Nähe eines größeren Szenenbereichs in die Bildoberfläche liegen, so dass es als Weitwinkelobjektiv bezeichnet wird, während das Sichtfeld breiter als Fisheye-Objektiv bezeichnet wird. Zwischen den beiden dazwischen ist die Brennweite ungefähr der diagonalen Länge der Linse die Standardlinse.

Betriebswellenlänge: Der Spektralbereich, in dem ein Objektiv arbeitet.

Optische Objektive sind für Lichtwellen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs ausgelegt. Lichtwellen, die aus der Objektebene emittiert werden, können nur dann durch die Linse gelangen, um ein klares Bild auf der Bildebene zu bilden, wenn sie sich innerhalb des Wellenlängenbereichs befinden, für den die Linse angepasst ist, und die Energieabschwung ist relativ gering. Im Bereich der astronomischen Beobachtung deckt das durch verschiedene Himmelskörper emittierte Licht einen weiten Bereich von Wellenlängen ab. Beispielsweise erfordert die Beobachtung von Sternen die Verwendung von optischen Linsen, die sich an sichtbares Licht und einige Wellenlängen in der Nähe von Infrarot anpassen können, da Sterne in diesen Wellenlängenbereichen stark strahlen. Für die Beobachtung einiger Nebel, da das von ihnen emittierte Licht spezifische Emissionslinien enthalten kann, wie beispielsweise einige der Spektralleitungen von Wasserstoff bei bestimmten Wellenlängen, müssen sich auf diese Wellenlängen spezialisiert, die für die Linse ausgelegt sind, um ihre schwachen Lichtsignale zu erfassen, und ihre schwachen Lichtsignale,,,,,, Um ein klares Bild zu erhalten, um Astronomen zu helfen, die Struktur und Zusammensetzung des Nebels zu untersuchen. Licht ist im Wesentlichen eine elektromagnetische Welle, und in Abhängigkeit von der Wellenlänge kann es in mehrere Spektralbanden unterteilt werden, die das Vakuum -Ultraviolett, Ultraviolett, sichtbar, infrarot und andere Regionen mit einzigartigen optischen Eigenschaften bedecken.

Lösung: Der Richter der Übergangsbildqualität

Die Auflösung ist einer der wichtigsten Indikatoren für die Qualität einer Linse und ist definiert als die Anzahl der Paare von Schwarz-Weiß-Streifen, die die Linse in einem Millimeter der Bildebene in einem Einheitsmillimeter unterscheiden kann.

Die Auflösung beträgt 1/2 D, wobei D die Linienbreite ist. Die Auflösungseinheit ist LP/MM (Linienpaar/mm). In der Fokusebene einer idealen Bildwinne kann der entsprechende Abstand zwischen den beiden Streifen aufgelöst werden.

Sein Gegenstand ist die Auflösung der idealen Linse, die berechnet wird:

Wobei λ die mittlere Wellenlänge in Millimetern darstellt. Es ist zu erkennen, dass die Auflösung der idealen Linse und der relativen Apertur eng mit der relativen Apertur zusammenhängt. Je größer die relative Apertur ist, desto kleiner ist die F/#, desto höher die Auflösung.

In der Halbleiter -Lithographie gibt es äußerst hohe Anforderungen an die Lensauflösung. Um kleinere Schaltungsstrukturen auf dem Chip zu erstellen, muss sehr hohe optische Objektive verwendet werden. Zum Beispiel in fortschrittlicher Lithographiegeräte die Auflösung der Linse, um Zehn Nanometer oder sogar kleinere Linien und Muster zu unterscheiden, die die Linse im Design- und Herstellungsprozess benötigen, um die Aberration und andere Faktoren strikt zu steuern, um sicherzustellen, dass die Sehr klein, um eine hochpräzisende Bildgebung zu erreichen, um den kontinuierlichen Fortschritt der Chipherstellungstechnologie zu fördern. Es ist jedoch zu beachten, dass diese Formel nur die Auflösung des Zentrums des Sichtfeldes bestimmt. Am Rand des Sichtfeldes wird die Auflösung verringert, da der Aperturwinkel des Bildgebungsstrahls kleiner als der On-Axis-Punkt ist.

In den tatsächlichen fotografischen Linsen ist die tatsächliche Auflösung aufgrund des Vorhandenseins großer Restaberration viel niedriger als die einer idealen Linse. Daher wird die tatsächliche Auflösung einer Linse normalerweise durch eine Modulationstransferfunktion (MTF: Modulationstransferfunktion) gekennzeichnet, die als das Verhältnis des Kontrasts der Bildebene zu dem Kontrast der Objektebene bei einer bestimmten räumlichen Frequenz definiert ist. Dies wird in Bezug auf die Anzahl der Linienpaare pro Millimeter (LP/mm) ausgedrückt. Für ein bestimmtes Objektiv variiert der MTF -Wert bei verschiedenen räumlichen Frequenzen. Im Allgemeinen nimmt der MTF -Wert mit zunehmender Räumungsfrequenz allmählich ab, bis er auf Null geeignet ist, und die räumliche Frequenz, wenn der MTF Null ist, wird als Grenzfrequenz der Linse bezeichnet.

In praktischen industriellen Anwendungen wird die Auflösung des Systems auch durch die Auflösung des Bildgebungssensors begrenzt, da das System einen Oberflächenarray- oder Leitungsarray -Sensor als Bildgebungsgerät verwendet. Die Pixelauflösung wird als NF-1/2p berechnet, wobei P die Größe der Pixeleinheit hat. Wenn beispielsweise die Pixelgröße eines CCD 5 x 5 Mikrometer beträgt, ist die Pixelauflösung

Die Pixelauflösung des Sensors begrenzt grundlegend die maximale Auflösung des Systems, selbst wenn das Objektiv selbst eine hohe Auflösung hat, kann das System die feinen Details über der Pixelauflösung nicht unterscheiden. Daher muss im tatsächlichen Objektivauswahlprozess die Linsenauflösung normalerweise geringfügig höher sein als die Pixelauflösung, um sicherzustellen, dass das System die durch den Sensor begrenzte maximale Auflösung erreichen kann.