反攝遠(yuǎn)物鏡的發(fā)展與應(yīng)用

林圳揚(yáng)

廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院

反攝遠(yuǎn)物鏡的發(fā)展與應(yīng)用

林圳揚(yáng)

廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院

反攝遠(yuǎn)物鏡是一款由前負(fù)透鏡組以及后正透鏡組組成的光學(xué)鏡頭，大家或許對(duì)此感到陌生，然而實(shí)際上這一光學(xué)器件已走過(guò)了近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，走入了尋常百姓家，并在許多行業(yè)中得以應(yīng)用，幫助人們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域，各種情況下順利解決問(wèn)題，造福人類。

反攝遠(yuǎn)物鏡；發(fā)展與應(yīng)用

近幾年來(lái)，隨著光學(xué)工藝加工技術(shù)的突飛猛進(jìn)與逐步完善，攝遠(yuǎn)物鏡與反攝遠(yuǎn)物鏡越來(lái)越能按照人們的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，鏡頭越來(lái)越精巧化[1]。這使得反攝遠(yuǎn)物鏡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的許多領(lǐng)域，比如醫(yī)學(xué)儀器領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、水下攝影鏡頭、廣角鏡頭等，并幫助人們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域，各種情況下順利解決問(wèn)題，開展更深一步的探索。

一、攝遠(yuǎn)物鏡的發(fā)展歷史

攝遠(yuǎn)物鏡的發(fā)展歷史要從長(zhǎng)焦鏡頭的產(chǎn)生說(shuō)起，這首先是由德國(guó)天文學(xué)家開普勒于1611年他的Dioptrice中描述，以及彼得·巴洛于1834年重新發(fā)明的。一般我們會(huì)把攝影的歷史歸功于Thomas Rudolphus Dallmeyer于1891年所發(fā)明的拍攝長(zhǎng)焦鏡頭，盡管長(zhǎng)焦距鏡頭也獨(dú)立地由他人在大約相同的時(shí)間發(fā)明;另外還有一些人認(rèn)為他的父親John Henry Dallmeyer的發(fā)明是在1860年。1883年或1884新西蘭著名的攝影師AlexanderMcKay發(fā)現(xiàn)他能夠重新創(chuàng)造一個(gè)更易于管理的長(zhǎng)焦距鏡頭，并且通過(guò)從一個(gè)較短的焦距望遠(yuǎn)鏡物鏡結(jié)合負(fù)透鏡和其他光學(xué)元件操作玻璃來(lái)進(jìn)行修改光錐[2]。至今他的一些照片仍然被被保存在增持特恩布爾圖書館。此后，由長(zhǎng)焦物鏡發(fā)展出了反長(zhǎng)焦物鏡。

二、攝遠(yuǎn)物鏡的分類

攝遠(yuǎn)物鏡是有正、反之分的，兩者之間的結(jié)構(gòu)是相聯(lián)系的。市面上的攝遠(yuǎn)型物鏡一般由一個(gè)正光焦度的前組以及一個(gè)負(fù)光焦度的后組組成。剛好相反，反攝遠(yuǎn)物鏡以及反長(zhǎng)焦物鏡一般是由前負(fù)透鏡組以及后正透鏡組組成的。攝遠(yuǎn)物鏡的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)的長(zhǎng)度通常會(huì)比焦距短很多，于長(zhǎng)焦距物鏡的情形，我們把系統(tǒng)的相對(duì)長(zhǎng)度叫做為系統(tǒng)的長(zhǎng)度（系統(tǒng)第一面到像面的距離）與焦距的比值[3]。攝遠(yuǎn)物鏡具有長(zhǎng)焦距的特點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)小巧，便于攜帶，質(zhì)量減輕。反攝遠(yuǎn)物鏡之特點(diǎn)是，與其自身的有效焦距相比，該物鏡有相對(duì)較長(zhǎng)的后截距。

三、反攝遠(yuǎn)物鏡的應(yīng)用

反攝遠(yuǎn)物鏡這一光學(xué)鏡頭如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，比如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的膝關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡就是一個(gè)很好的應(yīng)用[4]。通常環(huán)境下膝關(guān)節(jié)內(nèi)窺顯示儀由于采用了反攝遠(yuǎn)物鏡結(jié)構(gòu)，Hopkins棒狀鏡中轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及CCD器件等，因而大大提升了該性能。關(guān)節(jié)鏡物鏡焦距短（約2mm左右）常采用反遠(yuǎn)距型結(jié)構(gòu)及象方遠(yuǎn)心光路以獲得較大的景深和視場(chǎng)。通常按照臨床需要它的視場(chǎng)角需要大等于50°，視向角共有0°，30°以及70°這三種。它由負(fù)、正二光源夠成，負(fù)組在前，正組在后。棱鏡的加入是為了形成不同方向的視向角，設(shè)計(jì)時(shí)棱鏡應(yīng)作為物鏡的一部分來(lái)校正象差[5]。我們都知道人體關(guān)節(jié)是一個(gè)比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，大夫借助于該顯示儀時(shí)可以由目鏡來(lái)直接觀測(cè)膝關(guān)節(jié)的內(nèi)窺圖像，與此同時(shí)該圖像也會(huì)顯示在監(jiān)視器上并可用記錄器記載。因此，反攝遠(yuǎn)物鏡的應(yīng)用使其成為在膝關(guān)節(jié)疾病診治中一臺(tái)極為方便而有用的儀器。

反攝遠(yuǎn)物鏡還應(yīng)用在了水下攝影技術(shù)方面，以此來(lái)克服這一研究領(lǐng)域面臨的一些問(wèn)題：地面上使用的光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的防水密封措施后由于受到攝影物鏡物方水介質(zhì)之影響在水下成像的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生不少問(wèn)題，常見的就有成像質(zhì)量變差、視場(chǎng)受損等[6]。因此我們通過(guò)對(duì)經(jīng)頭結(jié)構(gòu)的重新分析，由此逐步解決了大視場(chǎng)大相對(duì)孔徑水下攝影物鏡鏡頭所面臨的一些重要因素，我們重新設(shè)計(jì)的攝影物鏡具有如下的參數(shù)：相對(duì)孔徑為1/1.4，水下全視場(chǎng)角為66°，焦距為11.85mm。當(dāng)然，很重要的一點(diǎn)是我們采用了反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)，正是基于反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，成像質(zhì)量更好。光學(xué)系統(tǒng)基于反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)，總共使用了8片鏡片．其中前負(fù)透鏡組是由第二、三、四片透鏡組成的，它的總光焦度最終為0.0367。也正是這個(gè)原因才導(dǎo)致了后組所產(chǎn)生的軸外像差相對(duì)較小，因而前組的重點(diǎn)作用在于較正由于大相對(duì)孔徑所引起的高級(jí)球差以及補(bǔ)償前組所導(dǎo)致的軸外像差。最后，我們得到這樣一個(gè)結(jié)論：基于反攝遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)高次非球面，并且是采取慣用的玻璃使水下攝影物鏡獲取水下66度大視場(chǎng)的同時(shí)還具有1/1.4的大相對(duì)孔徑，這此中反攝遠(yuǎn)布局的運(yùn)用起了舉足輕重的效果，與相同技術(shù)要求下全部使用球面透鏡的設(shè)計(jì)相比，可以說(shuō)這一設(shè)計(jì)是一大進(jìn)步，成像質(zhì)量更加優(yōu)異，結(jié)構(gòu)也更為合理。

此外反射遠(yuǎn)物鏡還應(yīng)用在廣角鏡頭中。現(xiàn)今，我國(guó)已有部分公司能夠基于反攝遠(yuǎn)物鏡對(duì)廣角攝像鏡頭進(jìn)行改進(jìn)，以此設(shè)計(jì)出一種成像清晰、照度均勻、成本低的廣角鏡頭，打破海外巨頭企業(yè)的壟斷。

本文粗略介紹了反攝遠(yuǎn)物鏡的發(fā)展歷程與應(yīng)用，反攝遠(yuǎn)物鏡的設(shè)計(jì)與應(yīng)用已經(jīng)走入我們的生活。未來(lái)，我們還可以通過(guò)不同鏡頭的組合與搭配，從不同角度思考，采用不同的思路，運(yùn)用新的技術(shù)手段，并在相關(guān)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件上實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，將這些技術(shù)成果實(shí)實(shí)在在地運(yùn)用在照明與照相機(jī)鏡頭等光學(xué)器件，相信這將在工業(yè)方面，軍工方面以及民用領(lǐng)域開拓更加廣泛的發(fā)展空間。

[1]趙翠玲.基于二元光學(xué)的攝遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春理工大學(xué)：長(zhǎng)春理工大學(xué)校報(bào)，2012,7(1).1-42.

[2]周海憲.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]RobertE.Fisher.Opticalsystem Design[M].SPIEPRESS,2000.

[4]虞起璉.關(guān)節(jié)內(nèi)窺顯示儀研制[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志，1993, 17（5）:265-268.

[5]謝正茂，何俊華.水下微光攝影物鏡的的設(shè)計(jì)和研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2011，30（1）：6-10.

[6]J.G.Gow H.H.Hopkins Handbook of Urological Endoscopy. London,Churchill Livingstore,1978 P.P.20～30.