关于连续变倍镜头的放大倍率和分辨率问题讨论

focuslight

最近在看一些连续变倍镜头的资料，然后也想尝试做个设计，有两几个疑惑：
1.这种结构通常是由一个无限远物镜，无焦变倍镜头和接CMOS的聚焦镜头(目镜)，手册上写的系统总放大倍率是由无限远物镜的倍率M1*变倍镜头倍率M2*目镜倍率M3。但是对一个无限远物镜和目镜(也是无限远)他的倍率怎么定义?为什么可以这样相乘，无法理解这个推导过程，理论上一个无穷远物镜对应的放大倍率不应该是由目镜的焦距/物镜焦距才能算出来么？这种系统里面我们也不知道目镜焦距是多少啊，当然奥林巴斯和蔡司这种是知道焦距的。
比如看到无限远物镜倍率5X，变倍镜头倍率是0.6-5X，目镜倍率是2X，那么系统放大倍率就是6X-50X。

2.这种系统通常是分段模块化设计，那么系统的分辨率是由物镜决定么？在设计变倍镜头时候要注意哪些参数呢？视场角是采用角度入射，这个入射角度应该多少，怎么给才合理？

chp

1. 这种显微变倍系统，是按照无限远光路设计的；
    一般情况，这种镜头都有自己配套的物镜（也可以接标准的95mm物镜、45mm物镜）；例如图中的这款镜头，其标准物镜焦距是88mm，后面变倍体的焦距范围：52.8~440mm；作为无限远光路镜头来说，使用标准物镜的变倍比就是简单的除法，即为：0.6X-5X；
     这个系统的标准物镜，厂家为了宣传，也叫做1X物镜，如果做一个焦距为176mm的配套物镜给这个系统使用，则这个物镜就是0.5X物镜，安装这个物镜，系统总的放大倍率就是0.3X~2.5X；诸如这个系统配置的0.3X、  2X物镜，都是这个原理；
    如果把这个系统的物镜拆除，配置奥林巴斯、东利来等厂家的无限远物镜，如5X物镜，则需要换算焦距，这种5X物镜(管镜焦距为200mm)的焦距为40mm，安装到以上系统中，放大倍率就是1.32X~11X（52.8/40~440/40），依次类推；
    这种镜头后端的接口直接接相机的（C接口或者CS接口，成像一次了），如接目镜，换算倍率和使用方法与传统显微镜中195物镜+目镜的方式相似；

2. 在变倍部分的孔径确定后，系统的分辨率取决于物镜；由于是定工作距离的，模拟练习时，最好直接用物高、像高来计算、优化，不要用视场角（后端的CRA较小无需担心）；用在工业检测的，如在0.6X的放大倍率时，靶面1寸以上；

陈大强

chp 发表于 2023-2-9 16:42
1. 这种显微变倍系统，是按照无限远光路设计的；
    一般情况，这种镜头都有自己配套的物镜（也可以接标 ...

你好，我请教下，你说的变倍体的焦距范围：52.8~440mm，这个是不是指的无焦变倍体的整体的焦距范围？放大倍率就是2.2X~11X（88/40~440/40）这个地方是不是出错了，应该是1.32-11(52.8/40-440/40)。还是我理解错了呢。

chp

陈大强 发表于 2023-2-9 18:39
你好，我请教下，你说的变倍体的焦距范围：52.8~440mm，这个是不是指的无焦变倍体的整体的焦距范围？[/ba ...

“52.8~440mm” 是所谓的“无焦变倍体”的焦距范围；这个地方在无焦变倍的基础上面，后固定组增加了一组聚焦镜片；
后面这个放大倍率是我写错了，应该是52.8/40=1.32X；误导大家不好意思；

focuslight

chp 发表于 2023-2-9 16:42
1. 这种显微变倍系统，是按照无限远光路设计的；
    一般情况，这种镜头都有自己配套的物镜（也可以接标 ...

这是全网看到这块解释的最详细的你提到用物高和像高来控制放大倍率，这种是不是对整个系统优化才行，单纯变倍体的话(平行光入射和平行光出射)优化好像不行吧。

chp

focuslight 发表于 2023-2-10 15:14
这是全网看到这块解释的最详细的你提到用物高和像高来控制放大倍率，这种是不是对整个系统优化 ...

用物高和像高来控制放大倍率进而优化差不多是这个系统优化设计的最后一步了；练习着玩玩无所谓了，要出产品的话还是按照经验、步骤来比较好点；

lorry95

请问前置物镜+无焦变倍体+TV镜的结构怎样设计，比如设计0.7-5x倍率，怎样确定后面TV镜的焦距以及优化无焦变倍体怎样实现0.7-5x变倍的，角度吗？

pitt

chp 发表于 2023-2-9 16:42
1. 这种显微变倍系统，是按照无限远光路设计的；
    一般情况，这种镜头都有自己配套的物镜（也可以接标准 ...

根据衍射极限分辨力瑞利判据d=0.61λ/NA，您的意思是只要后方不损失NA的话，其实后方镜组分辨率对整个显微系统无影响？但后方系统又对该显微系统引入了额外的像差，导致其无法达到衍射极限呢？或者我换个说法，后方变倍组的分辨力低于物镜的分辨力，那它是不是相当于一个低通滤波器呢？把高频信息滤掉了，进而系统分辨力降低？这是我无法理解的？

pitt

最近跟供应商了解到，这种连续变倍显微系统的中间变倍系统并不是我们常规意义上的与无限远显微物镜配套的套筒透镜，配套的套筒筒镜是按照衍射极限来设计的，所以接近衍射极限分辨率的物镜搭配其对应的套筒透镜理论上可以达到接近衍射极限的分辨率，而厂家一般提供的变倍镜头其实会引入额外的像差，导致分辨率下降，进而成像质量下降，就像木桶的容量是取决于最短的那块木板，限制整个光学系统分辨率的应该是里面成像质量最差的那个镜头吧。