反摄远物镜的发展与应用

林圳扬

厦门理工学院光电与通信工程学院

反摄远物镜的发展与应用

林圳扬

厦门理工学院光电与通信工程学院

反摄远物镜是一款由前负透镜组以及后正透镜组组成的光学镜头，大家或许对此感到陌生，然而实际上这一光学器件已走过了近一个世纪的发展历程，走入了寻常百姓家，并在许多行业中得以应用，帮助人们在各个领域，各种情况下顺利解决问题，造福人类。

反摄远物镜；发展与应用

近几年来，随着光学工艺加工技术的突飞猛进与逐步完善，摄远物镜与反摄远物镜越来越能按照人们的要求进行设计，镜头越来越精巧化[1]。这使得反摄远物镜已经广泛应用于生产、生活的许多领域，比如医学仪器领域、军事领域、水下摄影镜头、广角镜头等，并帮助人们在各个领域，各种情况下顺利解决问题，开展更深一步的探索。

一、摄远物镜的发展历史

摄远物镜的发展历史要从长焦镜头的产生说起，这首先是由德国天文学家开普勒于1611年他的Dioptrice中描述，以及彼得·巴洛于1834年重新发明的。一般我们会把摄影的历史归功于Thomas Rudolphus Dallmeyer于1891年所发明的拍摄长焦镜头，尽管长焦距镜头也独立地由他人在大约相同的时间发明;另外还有一些人认为他的父亲John Henry Dallmeyer的发明是在1860年。1883年或1884新西兰著名的摄影师AlexanderMcKay发现他能够重新创造一个更易于管理的长焦距镜头，并且通过从一个较短的焦距望远镜物镜结合负透镜和其他光学元件操作玻璃来进行修改光锥[2]。至今他的一些照片仍然被被保存在增持特恩布尔图书馆。此后，由长焦物镜发展出了反长焦物镜。

二、摄远物镜的分类

摄远物镜是有正、反之分的，两者之间的结构是相联系的。市面上的摄远型物镜一般由一个正光焦度的前组以及一个负光焦度的后组组成。刚好相反，反摄远物镜以及反长焦物镜一般是由前负透镜组以及后正透镜组组成的。摄远物镜的优点在于系统的长度通常会比焦距短很多，于长焦距物镜的情形，我们把系统的相对长度叫做为系统的长度（系统第一面到像面的距离）与焦距的比值[3]。摄远物镜具有长焦距的特点，而且设计结构小巧，便于携带，质量减轻。反摄远物镜之特点是，与其自身的有效焦距相比，该物镜有相对较长的后截距。

三、反摄远物镜的应用

反摄远物镜这一光学镜头如今已经广泛应用于诸多领域，比如医学领域的膝关节内窥镜就是一个很好的应用[4]。通常环境下膝关节内窥显示仪由于采用了反摄远物镜结构，Hopkins棒状镜中转系统以及CCD器件等，因而大大提升了该性能。关节镜物镜焦距短（约2mm左右）常采用反远距型结构及象方远心光路以获得较大的景深和视场。通常按照临床需要它的视场角需要大等于50°，视向角共有0°，30°以及70°这三种。它由负、正二光源够成，负组在前，正组在后。棱镜的加入是为了形成不同方向的视向角，设计时棱镜应作为物镜的一部分来校正象差[5]。我们都知道人体关节是一个比较复杂的结构，大夫借助于该显示仪时可以由目镜来直接观测膝关节的内窥图像，与此同时该图像也会显示在监视器上并可用记录器记载。因此，反摄远物镜的应用使其成为在膝关节疾病诊治中一台极为方便而有用的仪器。

反摄远物镜还应用在了水下摄影技术方面，以此来克服这一研究领域面临的一些问题：地面上使用的光学系统经过简单的防水密封措施后由于受到摄影物镜物方水介质之影响在水下成像的时候会产生不少问题，常见的就有成像质量变差、视场受损等[6]。因此我们通过对经头结构的重新分析，由此逐步解决了大视场大相对孔径水下摄影物镜镜头所面临的一些重要因素，我们重新设计的摄影物镜具有如下的参数：相对孔径为1/1.4，水下全视场角为66°，焦距为11.85mm。当然，很重要的一点是我们采用了反摄远结构，正是基于反摄远结构，使得结构更加简单，成像质量更好。光学系统基于反摄远结构，总共使用了8片镜片．其中前负透镜组是由第二、三、四片透镜组成的，它的总光焦度最终为0.0367。也正是这个原因才导致了后组所产生的轴外像差相对较小，因而前组的重点作用在于较正由于大相对孔径所引起的高级球差以及补偿前组所导致的轴外像差。最后，我们得到这样一个结论：基于反摄远的结构，采用一个高次非球面，并且是采取惯用的玻璃使水下摄影物镜获取水下66度大视场的同时还具有1/1.4的大相对孔径，这此中反摄远布局的运用起了举足轻重的效果，与相同技术要求下全部使用球面透镜的设计相比，可以说这一设计是一大进步，成像质量更加优异，结构也更为合理。

此外反射远物镜还应用在广角镜头中。现今，我国已有部分公司能够基于反摄远物镜对广角摄像镜头进行改进，以此设计出一种成像清晰、照度均匀、成本低的广角镜头，打破海外巨头企业的垄断。

本文粗略介绍了反摄远物镜的发展历程与应用，反摄远物镜的设计与应用已经走入我们的生活。未来，我们还可以通过不同镜头的组合与搭配，从不同角度思考，采用不同的思路，运用新的技术手段，并在相关光学设计软件上实现这一过程，将这些技术成果实实在在地运用在照明与照相机镜头等光学器件，相信这将在工业方面，军工方面以及民用领域开拓更加广泛的发展空间。

[1]赵翠玲.基于二元光学的摄远物镜设计[D].长春理工大学：长春理工大学校报，2012,7(1).1-42.

[2]周海宪.光学系统设计[M].北京：机械工业出版社，2009.

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

[4]虞起琏.关节内窥显示仪研制[J].中国医疗器械杂志，1993, 17（5）:265-268.

[5]谢正茂，何俊华.水下微光摄影物镜的的设计和研究[J].应用光学，2011，30（1）：6-10.

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