光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)入門:從坐標(biāo)到成像的通俗解析
在設(shè)計和分析光學(xué)系統(tǒng)(如相機鏡頭、望遠鏡)時,首先需要理解一套基礎(chǔ)參數(shù)體系。這些參數(shù)就像描述光學(xué)系統(tǒng)的"語言",能幫助我們準(zhǔn)確判斷成像質(zhì)量。下面用通俗語言拆解三大核心參數(shù)模塊。
一、坐標(biāo)系統(tǒng):給光學(xué)元件定方向的"地圖"
光學(xué)系統(tǒng)有一套明確的"方向規(guī)則":
左右方向:光線傳播方向(從左到右)為正,反之(從右到左)為負(fù)。比如物體在鏡頭左側(cè)時,距離記為負(fù)數(shù)。
上下方向:光軸上方為正,下方為負(fù)。比如物體高于光軸時,高度記為正數(shù)。
角度規(guī)則:只算銳角,順時針旋轉(zhuǎn)的角度是正的,逆時針是負(fù)的。
常用參數(shù)符號(像"縮寫"一樣好記):
參數(shù)名稱 | 代表含義 | 例子 |
---|---|---|
物距 L | 物體到鏡頭表面的距離 | 相機鏡頭到被拍花朵的距離 |
像距 L` | 成像位置到鏡頭表面的距離 | 膠片到鏡頭的距離 |
曲率半徑 r | 鏡頭表面彎曲的程度 | 平鏡片 r 無窮大,球形鏡片 r 是具體數(shù)值 |
像高 y` | 成像的高度 | 照片中花朵的高度 |
焦距 f` | 鏡頭聚焦能力 | 長焦鏡頭 f較大,廣角鏡頭f 較小 |
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu):光學(xué)元件的"長相"與"排列"
(1)鏡頭表面的形狀分類
光學(xué)元件的表面不是隨便做的,常見形狀有:
球面:像乒乓球表面一樣對稱彎曲,是最常見的形狀(如普通放大鏡)。
橢球面:比球面更"扁"的曲面,常用于需要精準(zhǔn)聚焦的設(shè)備(如天文望遠鏡主鏡)。
拋物面:一側(cè)更平緩的曲面,能把平行光聚到一點(如手電筒反光杯)。
非球面:比球面多一些"微調(diào)參數(shù)",能減少成像模糊(如高端相機鏡頭邊緣鏡片)。
決定形狀的關(guān)鍵參數(shù):
曲率:表面彎曲的程度(曲率越大,表面越"凸")。
二次曲面系數(shù):決定是球面、橢球面還是拋物面(就像不同的模具)。
非球面系數(shù):給標(biāo)準(zhǔn)曲面"修細(xì)節(jié)",讓成像更清晰。
(2)元件之間的"距離"與"材料"
元件間隔d:每個鏡片之間的距離,比如手機鏡頭由多個鏡片疊加,d決定了整體厚度。
材料折射率n:光穿過材料時的"彎曲程度"。玻璃比空氣折射率高,所以光穿過鏡片會折射。不同顏色的光(波長不同)折射率不同,比如紅光和藍光通過棱鏡會分開。
三、光學(xué)特性:定義系統(tǒng)"工作范圍"的規(guī)則
(1)物體在哪里?能拍多大?
物距L:物體到鏡頭第一面的距離。如果物體離得特別遠(如太陽),記為"無限遠";如果物體緊貼鏡頭,就用很小的數(shù)值(如0.00001毫米)表示。
成像范圍:
物體離得近時:用"物高y"表示能拍多高(如花朵的高度)。
物體離得遠時:用"視場角ω"表示能看多大范圍(如廣角鏡頭能拍更寬的風(fēng)景)。
(2)能通過多少光?光線怎么限制?
孔徑大?。?br />
物體離得近時:用"孔徑角U"表示光線進入鏡頭的角度范圍(角度越大,進光越多)。
物體離得遠時:用"光束高度h"表示平行光進入鏡頭的寬度(如望遠鏡鏡頭的直徑)。
孔徑光闌:像鏡頭里的"小門",控制進光量和光線路徑,位置用"到第一面的距離lz"表示。
(3)邊緣成像為什么會暗?
漸暈現(xiàn)象:鏡頭邊緣的成像通常比中心暗,這是故意設(shè)計的:
為了讓邊緣成像更清晰,主動縮小邊緣進光量。
為了縮小鏡頭尺寸,減少邊緣鏡片的直徑。
描述方法:
漸暈系數(shù):比如邊緣光線只能通過中心光線的70%,就說漸暈系數(shù)是0.7。
通光半徑:直接規(guī)定每個鏡片能通過光的最大半徑,確保計算精準(zhǔn)。
四、參數(shù)怎么用?——成像質(zhì)量的"計算器"
當(dāng)我們知道了:
鏡頭每個面的形狀、間距、材料折射率(結(jié)構(gòu)參數(shù))
物體位置、成像范圍、進光限制(特性參數(shù))
就可以通過"光路計算"預(yù)測:
鏡頭的焦距是多少?能把像成在哪里?
不同顏色的光會不會聚在同一點?(色差問題)
邊緣物體會不會成像模糊?(像差問題)
這些分析就像給光學(xué)系統(tǒng)"做體檢",通過基礎(chǔ)參數(shù)判斷它能不能拍出清晰的照片,或者看清遙遠的星星。即使是復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),核心原理都藏在這些看似簡單的參數(shù)里。
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