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浅谈CCD显微——影像光学系统思考(三)

时间:2008-12-31 11:53:19    点击:3258    

(本文作者AG游戏数码CTO“山野村夫”)

 

 

        接上篇,“CCD显微”由五个基本部分组成:CCD器件、光学系统、机架与运动系统、照明系统、显示器件,关于“CCD器件”是前两篇的重点,本篇介绍“CCD显微光学系统”。 

 

        关于“CCD显微光学系统”,首先,光学系统是光学仪器的核心,其次,“CCD显微光学系统”与传统光学系统有着相似的特点和不同的特性,这种不同,需要将CCD作为感光器件与光学成像系统一体进行研究,而这一点,多数同行没有进行,主要是因为隔行如隔山——跨专业特点所致,在AG游戏创建之初,早在2002年就已对这个领域作过一些卓有成效的实验,在充分利用CCD特性和近轴光成像优异性能的前提下,实验非常成功,基于这些实验成果,AG游戏于2003年申请并获批了“消杂光大景深专利技术”,此专利,具有较强的实用性,全面提升普通镜头在CCD下的成像质量,并且实施简便,它改善了色彩还原,减小了畸变和场曲,加大了景深,普通光源下获得CCD优质成像,使普通镜头提升到接近专业效果,凭借此项专利,AG游戏数码在CCD显微领域一直独辟捷径,提供着低成本高像质的AG游戏产品,保持着竞争优势。 

 

        光学系统一共有七种象差影响着成像质量,需要进行巨大的运算纠正,便是光学设计,这些象差分别是:球差、慧差、场曲、畸变、色散、位置色差、倍率色差(有点记不清了),在这些象差中,“CCD显微光学系统”又因用途不同,要求会有所不同,大致区别如下,“CCD显微光学系统”主要有三个方面的用途:显微观察与品检、显微测量、视觉判断,严格说,前者为“CCD显微”技术范畴,后两项为“光学信息工程”技术范畴,前者要求:分辨率和景深,很好的色彩还原和衬度,大范围的变倍能力和大工作距离,后者要求:很小的畸变和很小的场曲(最好是无畸变和场曲),很好的分辨率和层次,需要说明的是,受光学设计与制造所限,显微光学系统至今还没有高倍变焦系统,高倍镜头都是定焦镜,同时,倍率越大,则工作距离越小;高倍金相系统因工作距离太小而使用内打光的同轴光照明方式,近年,基于半复消色差和复消色差技术出现了一种“超大工作距离”高倍光学系统,具有很好的市场前景。 

 

       “CCD显微光学系统”可分为定倍与变倍两种,定倍系统——使用定焦光学镜头,镜头焦距固定,图像倍率不改变,变倍系统——又分“定焦变倍系统”和“变焦系统”两种;前者镜头焦距不变而图像倍率改变,后者两者均变,“定倍系统”和“变倍系统”满足于不同的应用领域,“变倍系统”比“定倍系统”用途更为广泛,其中,有一种十分特殊的结构——“定焦变倍系统”,它几乎可以说是AG游戏数码的“独创”和“杰作”,这种“定焦变倍系统”利用了定焦光学系统比变焦系统更为优异像质,满足变倍用途(变倍比1:3),结合AG游戏独有的“消杂光大景深专利技术”,应用效果十分优异,AG游戏数码早期的CCD显微镜多为这种结构,这些CCD显微镜,以其出众的像质、优异的性价比而久赋盛誉,就象SK2004、SK2010等AG游戏产品,作为“消杂光大景深技术”发明者和SK2004等AG游戏产品设计者,这一切也超出了我本人的预计,然而,“定焦变倍系统”有一个致命的局限:无法齐焦!也就是说,倍率越小、工作距离越大;变倍过程中,工作距离随倍率的不同而变化,幅度较大,正是这一点,“定焦变倍系统”的应用受到局限,这个局限需要具有齐焦能力的变焦系统来弥补,没有自己的变焦镜头一直是AG游戏的一个“短板”,而且,独有专利在变焦系统中发挥不出优势,使AG游戏受到制约。 

 

        这种局面到2007年底被打破,超过五款连续变焦镜头短期内投产成功,形成年产一万支的能力,劣势得以改变,已完成设计的多款高档镜头和“立体CCD显微镜”再投产,将彻底解决“短板”问题,同时,LED同轴光变焦镜头,高端数控变焦镜头,超大工作距离镜组,电子目镜的投产,可望实现优势强化,从而,使AG游戏形成快速设计、生产专用“CCD显微光学系统”的新优势——“蚯蚓战略”的又一个关键条件。 

 

        还有一个很多人都不明白的问题:CCD显微光学系统无须目镜,“CCD显微光学系统”一般都只有物镜,没有目镜,物镜直接成像到CCD靶面上,这是因为,CCD靶面就象相机里的胶卷,需要成实像才能“感光”;而物镜是成实像的,目镜则成虚像,目镜是将物镜所成的实像,再成像到人的眼球之中;人眼可将虚像成像到视网膜,实像则需要中间介质,比方,人眼可以看到镜子中的影像(虚像),则无法直接观看镜头过来的影像(实像),放到银幕上才能看到,所以,传统显微镜有目镜(用于人眼),CCD显微镜无须目镜;有一种系统比较笨,物镜后加目镜,目镜后再加物镜这种笨结构便是电子目镜——在原光路后面加入两组光学镜头组,导致成像质量下降很大,这是电子目镜的局限,这与大家的理解相反,并非镜组越多越好;对不是一次性设计而拼在一起的光学系统而言,镜组越多像质越差。 

 

       “CCD显微”有一个重要的系统指标:倍率,这又是一个十分“爱昧”问题,经常被混淆,是一个解释起来颇费口舌的问题,首先,AG游戏先来面对一堆概念:物镜倍率、光学倍率、系统倍率、电子倍率、视窗倍率、电子放大、变倍比等,物镜倍率——成像于目镜分划面上的大小除以实物大小——“CCD显微”没有目镜,物镜倍率是否为光学倍率?(我认为不是!CCD显微系统里,“物镜倍率”是一个“夹角倍率”,这一点好比电影放影机和投影机)光学倍率——物镜倍率乘以目镜倍率——“CCD显微”没有目镜,它的系统“光学倍率”该怎么算?(同上)系统倍率——显示器件上的影像大小除以实体大小——用不同大小的显示器件,系统倍率就不同?(对!系统倍率在此处成了一个变量,只有使用相同屏幕尺寸的显示器进行比较才有意义)电子倍率——在14英寸监示器上影像的大小除以实物大小——这才是衡量CCD显微系统倍率的指标,视窗倍率——视窗内影像大小除以实物大小——随视窗大小而变化,不能作为CCD显微系统倍率的指标,电子放大——系统倍率除以物镜倍率——这里不是数码相机里的图像差值放大,而是含有“光学放大”内涵的一个复合倍率,变倍比———物镜最大倍率除以最小倍率——只是变倍系统的一个概念。 

 

       “CCD显微”的另外两个重要指标:分辨力与景深,本篇一波三折,昨天已封笔,今天又觉得需要进一步展开一些初级概念,分辨力——又名解析力、分辨率,是指成像后能被分辨出的两条线间的最小距离,需要提醒的是,由于人眼极限分辨力为:0.1mm,不借助工具,人眼无法测定分辨力,只能“感觉”,景深——分为“前景深”和“后景深”,两者相加叫“景深”,这还是一个十分“爱昧”的光学成像概念,如果说“分辨力”可以清晰定义与区分,那么,“景深”则是一个没有清晰“界线”的问题,前景深——对焦后,物体(焦平面)朝上的清晰深度——这个“清晰”是以人眼判断为准;后景深——对焦后,物体(焦平面)朝下的清晰深度——“清晰”以人眼判断为准,“深度”比较感觉化,然而,“分辨力与景深”是可以比较的,特别是CCD显微下,支持多人共赏的CCD显微模式比较容易实现评估,这种评估需要经验,这种经验需要积累,同时,景深还是一个受倍率等因素影响的变量(严格说分辨力也是变量),不同倍率(焦距)下,景深随倍率而变化,倍率越大景深越小,反之亦反。 

 

        关于“CCD显微”的有效放大与虚放大,有效放大——不降低像质的放大——这话说得很“爱昧”,像质一定会下降;只是下降到什么程度算是“不下降”?虚放大———降低了像质的放大——晕!既然下降是一定的,那么,下降要大到什么“程度”才算是“虚放大”?这里的关键——“隐含像质”,超越人眼极限的像质不能被“察觉”,就象是被压缩存贮起来,特别是分辨力,继续放大中,这些隐含像质被“施放”出来,超出人眼极限的细微变化不被发现;接近和达到极限后才能“察觉”,换句话说,能被人眼察觉到像质下降的放大为“虚放大”,不被察觉出像质下降的放大“不是虚放大”,然而,同一CCD显微系统在7、、10、、14、、17、28、36、48、60寸屏上,会出现“虚放大”的倍率是不同的,这又是一个十分“爱昧”的问题,反映着“隐含像质”与所使用的显示器件屏幕尺寸大小之间的比率关系,除此之外,这里面还存在一个“视觉效果”问题,大显示器件要远看(张角缩小),小屏近看(张角变大),视觉倍率因屏而变,这些问题,几乎每次与客户探讨中都会遇到,每次都需要做一些概念解释与疏导,颇费口舌,光学系统,AG游戏战略中又一个多变的基因。这些基因的组合不是加法,而是乘法。

 

 

(本文于2008年8月20日在AG游戏数码内部论坛发表)
 

 
 
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