林圳揚

廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院

反攝遠物鏡的發(fā)展與應(yīng)用

林圳揚

廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院

反攝遠物鏡是一款由前負透鏡組以及后正透鏡組組成的光學(xué)鏡頭，大家或許對此感到陌生，然而實際上這一光學(xué)器件已走過了近一個世紀(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，幫助人們在各個領(lǐng)域，各種情況下順利解決問題，造福人類。

反攝遠物鏡；發(fā)展與應(yīng)用

近幾年來，隨著光學(xué)工藝加工技術(shù)的突飛猛進與逐步完善，攝遠物鏡與反攝遠物鏡越來越能按照人們的要求進行設(shè)計，鏡頭越來越精巧化[1]。這使得反攝遠物鏡已經(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，并幫助人們在各個領(lǐng)域，各種情況下順利解決問題，開展更深一步的探索。

一、攝遠物鏡的發(fā)展歷史

攝遠物鏡的發(fā)展歷史要從長焦鏡頭的產(chǎn)生說起，這首先是由德國天文學(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。一般我們會把攝影的歷史歸功于Thomas Rudolphus Dallmeyer于1891年所發(fā)明的拍攝長焦鏡頭，盡管長焦距鏡頭也獨立地由他人在大約相同的時間發(fā)明;另外還有一些人認為他的父親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)造一個更易于管理的長焦距鏡頭，并且通過從一個較短的焦距望遠鏡物鏡結(jié)合負透鏡和其他光學(xué)元件操作玻璃來進行修改光錐[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，由長焦物鏡發(fā)展出了反長焦物鏡。

二、攝遠物鏡的分類

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

三、反攝遠物鏡的應(yīng)用

反攝遠物鏡這一光學(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）常采用反遠距型結(jié)構(gòu)及象方遠心光路以獲得較大的景深和視場。通常按照臨床需要它的視場角需要大等于50°，視向角共有0°，30°以及70°這三種。它由負、正二光源夠成，負組在前，正組在后。棱鏡的加入是為了形成不同方向的視向角，設(shè)計時棱鏡應(yīng)作為物鏡的一部分來校正象差[5]。我們都知道人體關(guān)節(jié)是一個比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，大夫借助于該顯示儀時可以由目鏡來直接觀測膝關(guān)節(jié)的內(nèi)窺圖像，與此同時該圖像也會顯示在監(jiān)視器上并可用記錄器記載。因此，反攝遠物鏡的應(yīng)用使其成為在膝關(guān)節(jié)疾病診治中一臺極為方便而有用的儀器。

反攝遠物鏡還應(yīng)用在了水下攝影技術(shù)方面，以此來克服這一研究領(lǐng)域面臨的一些問題：地面上使用的光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過簡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候會產(chǎn)生不少問題，常見的就有成像質(zhì)量變差、視場受損等[6]。因此我們通過對經(jīng)頭結(jié)構(gòu)的重新分析，由此逐步解決了大視場大相對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)計的攝影物鏡具有如下的參數(shù)：相對孔徑為1/1.4，水下全視場角為66°，焦距為11.85mm。當(dāng)然，很重要的一點是我們采用了反攝遠結(jié)構(gòu)，正是基于反攝遠結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)更加簡單，成像質(zhì)量更好。光學(xué)系統(tǒng)基于反攝遠結(jié)構(gòu)，總共使用了8片鏡片．其中前負透鏡組是由第二、三、四片透鏡組成的，它的總光焦度最終為0.0367。也正是這個原因才導(dǎo)致了后組所產(chǎn)生的軸外像差相對較小，因而前組的重點作用在于較正由于大相對孔徑所引起的高級球差以及補償前組所導(dǎo)致的軸外像差。最后，我們得到這樣一個結(jié)論：基于反攝遠的結(jié)構(gòu)，采用一個高次非球面，并且是采取慣用的玻璃使水下攝影物鏡獲取水下66度大視場的同時還具有1/1.4的大相對孔徑，這此中反攝遠布局的運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)計相比，可以說這一設(shè)計是一大進步，成像質(zhì)量更加優(yōu)異，結(jié)構(gòu)也更為合理。

此外反射遠物鏡還應(yīng)用在廣角鏡頭中?，F(xiàn)今，我國已有部分公司能夠基于反攝遠物鏡對廣角攝像鏡頭進行改進，以此設(shè)計出一種成像清晰、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物鏡的發(fā)展歷程與應(yīng)用，反攝遠物鏡的設(shè)計與應(yīng)用已經(jīng)走入我們的生活。未來，我們還可以通過不同鏡頭的組合與搭配，從不同角度思考，采用不同的思路，運用新的技術(shù)手段，并在相關(guān)光學(xué)設(shè)計軟件上實現(xiàn)這一過程，將這些技術(shù)成果實實在在地運用在照明與照相機鏡頭等光學(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)的攝遠物鏡設(shè)計[D].長春理工大學(xué)：長春理工大學(xué)校報，2012,7(1).1-42.

[2]周海憲.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機械工業(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.