聚焦镜头

日期:  
2018年 10月 30日
作者: 
Anne Corning  | 
主题: 

镜头是任何相机最重要的零件,其用于引导光线从不同的方向入射,以创建反映现实的图像。如今的照相镜头是由多种元件(单个玻璃或塑料镜头片)组成的精密仪器,与光圈、快门和控制装置搭配使用,所有这些零件都沿着中心轴排列,并置于镜头外壳内。用户可通过微小调整控制光量、曝光时间、焦距以及影响图像质量的其他因素。现代化镜头的高度精密性可追溯至人类关于光的行为以及光如何与各种光学基材(即光学元件)相互作用的悠久研究和实验历史。在今天的博客文章中,我们将回顾这段历史,并展望未来的一些创新镜头技术。

与Radiant的ProMetric®成像色度计和亮度计搭配使用的标准镜头.

镜头发展历史回顾

历史上最早面世的镜头是由古代美索不达米亚人、亚述人和埃及人开发的,通常由抛光晶体(比如石英)制成1。希腊人是最早认识几何光学的。举例来说,数学家欧几里德在公元前300年左右发表了一篇名为《光学》(Optics)的论文。在这之后很久,阿拉伯数学家伊本·阿尔·海塞姆(又名“阿尔哈曾(Alhazan)”,通常被称为“现代光学之父”)在其于公元10世纪发表的《光学之书》(Book of Optics2中写过有关针孔、凹透镜和放大镜的文章。此外,Alhazan还正确地描述了镜头如何折射光线。

没有人确切地知道最早面世的玻璃镜头是何时开发出来的,但我们已经知道,到了11世纪至13世纪,僧侣们已经使用“阅读石(一种近似半球状的镜头)”来进行放大。这是“原始的平凸镜头,最初是通过将玻璃球体切成两半来制造的”1。在文艺复兴时期,伽利略、艾萨克·牛顿爵士等人在天体观测望远镜方面的研究和开发推动了镜头学的发展。

由于豆科植物(左)与光学装置(右)在形状上的相似性,‘Lens’这个英文单词来自拉丁文‘Lentil(扁豆)’.

现在,人们普遍认为眼镜于14世纪00年代(1300s)出现(可能在意大利比萨市附近),佩戴者必须使这种眼镜在鼻子上保持平衡。很显然,这很难做到。这种情况一直持续到18世纪00年代(1700s)才结束。当时,一名巴黎配镜师在眼镜两侧分别添加了一根小杆,以帮助眼镜保持固定;后来,一名英国配镜师通过增加隐藏在耳后的眼镜杆弯曲段,进一步发展了这一理念3

现代化镜头

镜头形状包括凸面体(镜头中央的基材比边缘厚,使其向外弯曲)和凹面体(镜头中央的基材比边缘薄,使其向内弯曲)以及多种变体。举例来说,平凹镜头具有一个扁平面(平面)和一个凹面,而双凹镜头则两面均为凹面。

镜头形状包括(1) 双凸、(2) 平凸、(3)和(6) 凸凹镜头,也称为弯月镜头,(4) 双凹,(5)平凹4

镜头分为简单型(单层,比如放大镜中的镜头)和复合型(多个镜头排列在一起,比如复合显微镜中的镜头)。通过将多个镜头组合在一起可放大(或‘复合’)每个镜头的效果、增加放大倍率、调整焦距或校正色差。 

色差

各种颜色(红色、蓝色和绿色光谱)的光线以不同的波长传播,并且各种波长的光线以不同的速度穿过不同的材料(比如玻璃)。这意味着两种颜色的光线将在不同的时间到达相同的位置,从而引起图像失真。这些失真称为“色差”。通过将不同形状、厚度和特性的镜头组合成复合镜头,将有助于校正色差,并提供高分辨率的清晰图像。然而,多个镜头组合在一起会导致相机设备的尺寸较大,比如尺寸超长的长焦镜头。

当红色、绿色和蓝色波长的光线在不同的速度下穿过凸面镜头时,将会产生色差,从而产生不同的焦距.

摄影图像中的色差影响.

相机镜头

直到19世纪初,世界上最早的相机以及一些最早的摄影镜头才开发出来。在接下来的100-150年间,镜头技术经历了大量的实验和开发,以提高图像质量、缩短曝光时间和扩展摄影功能。研究人员尝试了多种不同的镜头形状、配置和涂层,并开发了更复杂的光圈和进路,业界看到了全景镜头、长焦镜头等技术进步成果。

1925年,首款面向公众出售的35mm镜头相机莱卡1(A)一经面世,立即成为热门话题。即便在今天,35mm镜头也仍然是普通、专业、科学和工业摄影用途领域的主力。Radiant的 ProMetric成像亮度计和色度计采用35mm镜头。我们使用该镜头的原因在于这种尺寸的高质量镜头种类繁多。这些现代化镜头提供不同的焦距,可满足不同成像应用的要求,并具有电子对焦功能,可满足客户的精度需求。

未来的镜头技术

随着新型先进镜头的发展,光学物理学家和工程师将会继续推动镜头技术向前发展。举例来说,在镜头创新方面近期取得的一些突破包括:

  • 液态镜头,其利用电信号形成液滴状,将光线聚焦在薄膜平面上5。通过利用液体代替多个玻璃或塑料层来进行对焦,这些镜头据报道可以使镜头尺寸减少85%5,并提供几乎无限的可变性,而且无活动元件。
  • Metalens镜头不使用玻璃折射光线,而是依靠纳米鳍片:由二氧化钛等材料制成的微小波导材料(哈佛大学John A. Paulsen工程与应用科学学院的研究人员在其于2016年进行的突破性研究中使用6)。由于Metalens镜头是扁平(平面)且超薄的,它们不会产生色差:所有波长的光线几乎同时穿过,从而形成单一焦点。

这种扁平的Metalens镜头是首款可以在高分辨率下将整个可见光谱(包括白光)聚焦在同一点的单镜头。它使用二氧化钛纳米鳍片阵列以同等方式聚焦不同波长的光线,并消除色差6。图片来源:Jared Sisler/哈佛大学SEAS学院。

 

Metalens镜头目前仍出于试验阶段,但哥伦比亚大学工程学院的研究人员已经开发出了一款微米级厚的扁平镜头,其能够将经过任何偏光处理的各种颜色的光线正确地聚焦在同一焦点,且无需任何额外的元件7。这种类型的镜头甚至比一张纸还薄,可以极大地缩小相机、显微镜和眼镜等光学仪器的尺寸和重量。

专为特殊光学测量任务开发的特殊镜头

对于如今的消费类设备、显示器、照明和电子产品,制造商通常使用成像系统来评估质量。有效的视觉检测取决于使用可靠、精确的镜头来采集拥有足够细节和准确度的图像,确保与人类视觉感知相匹配,以识别出显示器或表面上的瑕疵。依靠图像进行缺陷检测的自动化视觉检测技术在许多行业已经十分常见。然而,由于外观因素或难以测量的角度等原因,有些类型的视觉测量和检测使用标准相机或成像系统无法完成。Radiant开发了两款专业镜头来应对这些挑战:

  • FPD锥光镜头—Radiant Vision Systems的 FPD锥光镜头可从单个点实现对平板显示器(FPD)和显示器组件色度、亮度和对比度角度分布的高分辨率亮度测量。Radiant使用傅立叶光学元件,其将发射光斑映射到CCD,确保每个像素对应于不同的发射角度。锥光镜头可通过单次测量采集到±70度角度下的完整视锥角度数据。FPD锥光镜头与Radiant的ProMetric成像仪搭配使用,可提供0.05度/CCD像素的角度分辨率。

 

                Radiant的FPD锥光镜头(左)可通过单次测量采集到±70度角度下平板显示器的完整视锥角度数据。角度绘图样本(右),以假彩色代表所测得的亮度。

  • AR/VR 镜头 – Radiant Vision Systems的AR/VR镜头采用独特的光学设计,专为测量近眼显示器(NED)而设计,比如集成到头戴式虚拟现实(VR)、混合现实(MR)和增强现实(AR)设备中的近眼显示器。该镜头的设计模拟人眼的大小、位置和视场。不同于光圈置于镜头内部的其他镜头选项,AR/VR镜头的光圈位于镜头前部,能够将成像系统的入射光瞳定位在头戴式NED设备内与人眼相同的位置,确保采集到完整的沉浸式显示器图像。

 

Radiant的AR/VR镜头(左)模拟人眼在头戴式AR/VR设备中的视线位置,确保在单个图像中采集到用户在水平方向1200范围内的完整视场图像(右).

 

从望远镜和灯塔到显微镜和AR眼镜,毫无疑问,不同应用中各种形式的镜头塑造了我们“看”周围世界的方式。新的创新成果将会继续为未来的技术、艺术、医药和工业领域开辟无限可能性。

Radiant的光学设计旨在通过用户观察光线和观看图像的方式快速、全面地捕捉光线和采集图像。您的设备是否需要新的光学几何特性或性能?如需先进的视觉检测解决方案评估产品质量,请立即联系我们
 

脚注:
1. “History of Optics” 维基百科网站(访问日期:2018年10月10日) - https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_optics

2. “Alhazen” , Famous Inventors网站 (访问日期:2018年10月10日)) - https://www.famousinventors.org/alhazen

3. “Historical Timeline on Lenses,  Windhoek Optics网站,(访问日期:2018年10月10日) - http://www.windhoek-optics.com/index.php/2015-09-03-10-59-08/historical-timeline-on-lenses

4. 此图片文件根据 “the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 条款”获得了许可.

5. “Four Innovations that Could Revolutionize the Photography Industry” PetaPixel 网站 - https://petapixel.com/2013/09/18/four-innovations-revolutionize-photography-industry/

6. Burrows, Leah, “Single metalens focuses all colors of the rainbow in one point”, The Harvard Gazette, 2018年1月1日 - https://news.harvard.edu/gazette/story/2018/01/ground-breaking-lens-focuses-entire-spectrum-of-light-to-single-point/

7. “Revolutionary Ultra-thin ‘Meta-lens’ Enables Full-color Imaging, Opli 网站, - http://www.opli.net/opli_magazine/imaging/2018/revolutionary-ultra-thin-meta-lens-enables-full-color-imaging-oct-news/