物镜口径与“成像扎实度”

savagein

引言：我们发现同倍数的镜子，物镜口径越大，像质就越好。
         比如8×42的Fl和8×56的FL相比，“质感更好，色彩更真实，成像扎实”。
         上周末的光照条件很好，我对比了Zeiss小胜利820，nikon E2， Zeiss Dialyt8*56。
         看了856再看e2和小胜利，除了表观视场不同带来的“主观拉近感”不同以外，另一个明显的变化是感觉成像变软、变糊了（注意，这里的变软变糊，并不是说图像不锐利，而是想表达成像质量变差。虽然成像锐利，但总是有种看不清、意犹未尽的感觉）。

下面的一点资料，或许可以对上述的情况“物镜口径越大，像质就越好”提供些理论解释。

阿贝成像原理: 物是一系列不同空间频率的集合.入射光经物平面发生夫琅和费衍射,在透镜焦面(频谱面)上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加,形成像.

　　透镜组在相干照明下的分辨原理。是1873年由E.阿贝在显微镜成像中提出来的。在相干照明下，被物体衍射的相干光，只有当它被显微镜物镜收集时,才能对成像有贡献。换句话说,像平面上光场分布和像的分辨率由物镜收集多少衍射光来决定。最简单情况是考虑一个振幅透过率周期变化的物体──光栅。讨论光栅在相干平面波照明下的成像问题。相干各衍射级次平面波有各自传播方向，在物镜后焦面上产生光栅的夫琅和费衍射图样，即物镜起了变换透镜作用，后焦面就是频谱面。根据惠更斯－菲涅耳原理，在焦面上的这些衍射图样可以看成许多相干次波源，每个次波源的强度正比于该点的振幅。因此在像平面 ∑i上成像过程可以看成从这些次波源发出的光波互相干涉的结果，即所谓成像的两次衍射过程。
      要得到一个逼真的像，所有衍射光都必须参与成像过程，事实上由于物镜的孔径有限，高衍射级次光波（相当于物的高空间频率分量）不能被收集进物镜，因而在物镜后焦面上的空间频谱中也缺少了高频分量，这些损失了的高频分量会使像的细节失真。以光栅为例,零级衍射沿光轴传播,其他衍射级次在零级两侧以各自方向传播，假若物镜只收集零级衍射波，则像平面是均匀照明，原光栅物体的周期结构消失；假若收集了零级和两个正负一级衍射光波，这时像有与物相同的周期结构，但强度分布被拉平；假若只收集正负二级衍射光波，这时像的细节有很大失真，出现完全虚假的二倍周期结构的像。

　　阿贝成像原理将成像过程分为两步:
　　由阿贝的观点来看,许多成像光学仪器就是一个低通滤波器,物平面包含从低频到高频的信息,透镜口径限制了高频信息通过,只许一定的低频通过,因此,丢失了高频信息的光束再合成,图像的细节变模糊. 孔径越大,丢失的信息越少,图像越清晰.
　　第一步"分频";
　　第二步"合成".
　　阿贝成像原理的意义在于:它以一种新的频谱语言来描述信息,它启发人们用改造频谱的方法来改造信息.
　　

sks56

几十毫米的直径都能衍射过去的光波不在可见光范围内吧

sks56

而且光的衍射频率越高条件越苛刻，怎会限制高频呢？要衍射也衍射低频才对啊。

金牛座_fan

以前看镜子，也是觉得口径越大像质越好，开始以为是分辨率高的原因，后来知道了手持镜由于倍数小，都无法发挥出镜子分辨率，口径大小虽然分辨率有高低，但不是造成像质差异的原因。
看了楼主的文章，基本明白了。

哼哼哈嘿

烧镜子和烧音乐器材一样，体积永远和质量成正比，体积可以弥补技术上的差距

savagein

或者换个说法，用倍率为1的望远镜（一截下水管道），一个口径为10mm，另一个为50mm，大家认为那个成像质量会更好呢？

较小的物镜口径限制了后焦面上高频信息（远离光轴）的传递，造成了图像信息的失真。
蔡司曾制造过一批小口径的显微镜，发现像质明显不如大口径的型号。

我爱baby

学习了！这些是公开资料还是老兄利用工作便利接触到的？

棱丝

1# savagein
其实，当觉得成像十分清晰时，主要还是镜头各个折射球面的精度做出了贡献，或者说直接取决与形面精度。由于工艺的制约，很多望远镜的分辨率都不超越7″，而光波的孔径衍射造成的分辨率壁垒是很小的，即“衍射受限分辨率”比“形面受限分辨率”小得多，当口径大于30时，还轮不到前者跳出来冲当主要的分辨率壁垒。

savagein

学习了！这些是公开资料还是老兄利用工作便利接触到的？
我爱baby 发表于 2010-1-4 21:13

哈哈，这些资料网上很容易找的。
可见光学的理论早已经发展成熟了。

savagein

1# savagein
其实，当觉得成像十分清晰时，主要还是镜头各个折射球面的精度做出了贡献，或者说直接取决与形面精度。由于工艺的制约，很多望远镜的分辨率都不超越7″，而光波的孔径衍射造成的分辨率壁垒是很小的， ...
棱丝 发表于 2010-1-4 21:17

lens兄说的非常对。
若我们讨论目前望远镜分辨率极限的限制因素，那么有形面因素和衍射极限。而且目前是形面因素是影响分辨率的主导因素，还远未轮到衍射极限影响分辨率。

这里讨论的是口径与像质的关系。

changshayou

不懂，也不知道这些文献是不是用对了，但是要感谢楼主辛勤的劳动，同时希望高人出来用更通俗的语言来描述大口径与成像扎实的关系。

棱丝

Nikon 830 E2，由于极精湛的工艺，造成镜子分辨率直逼30孔径的光波衍射分辨率，达到了令人惊奇的3.8″，离3.4″仅一步之遥。

savagein

不懂，也不知道这些文献是不是用对了，但是要感谢楼主辛勤的劳动，同时希望高人出来用更通俗的语言来描述大口径与成像扎实的关系。
changshayou 发表于 2010-1-4 21:25

用倍率为1的望远镜（一截不加镜片的下水管道）在固定距离观察同一物体，一个口径为10mm，另一个为50mm，大家认为那个成像质量会更好呢？

棱丝

14# savagein
嗯，这个问题很刁。

changshayou

不懂，也不知道这些文献是不是用对了，但是要感谢楼主辛勤的劳动，同时希望高人出来用更通俗的语言来描述大口径与成像扎实的关系。
changshayou 发表于 2010-1-4 21:25

同时，对于“成像扎实”，我不知道大家是怎么理解的，对于一些入门级的初学者，我简单解释一下主管感受吧，如有错漏，请老镜友指出。
想必大家都看过动画片“神笔马良”吧？里面有一个场景，就是马良在睡觉的时候屋子里出现了一个白胡子老头，给了马良一只神笔后笑呵呵的逐渐消失了，这个“逐渐消失”的过程就是成像扎实程度逐渐减弱的过程，在消失的过程中，老神仙的线条仍然非常清晰锐利，但是“发虚”了，以至于虽然和开始一样仍然能够能分辨清楚他的每一根胡子，但是要比最开始的时候费力了，这时候就相当于他的成像“没有开始的时候扎实了”，也就是通常说的发虚了。请注意：这时候每一根线条仍然是清晰锐利的，但是颜色变淡了，分辨起来吃力了。
第一次从望远镜上理解到“扎实”这个词是从比较842FL和820BL开始的，尽管大白天看起来亮度都够高，但是820BL的成像一眼可以看出来 比FL要“虚”，这时候就初步体会到了大镜子的魅力。

changshayou

用倍率为1的望远镜（一截不加镜片的下水管道）在固定距离观察同一物体，一个口径为10mm，另一个为50mm，大家认为那个成像质量会更好呢？
savagein 发表于 2010-1-4 21:30

这个.....真不知道唉

凭空想象，被观察的中间那一小块，应该差不多吧？

棱丝

14# savagein
如果感光件是视网膜，那么，一样好。因为相对于衍射斑点来讲，视网膜太粗糙，不够格分辨他人。如果感光件是超级CCD像阵，那Φ10的斑点大些。

aitian

还未看楼主的高谈阔论，我是这样理解的：在其它的技术条件和倍数相同的情况下，物镜口径越大，收集目标物的信息量也就越多，也就另眼睛接受了更多的信息量刺激到视觉神经，这样视觉神经就会发出更多的“激素”（不知道是不是叫激素）传入大脑神经，形成了更加清晰，更加明亮，显得更加“扎实”的影像了。
说的不对请多多拍砖啊。。。。。。

哼哼哈嘿

同时，对于“成像扎实”，我不知道大家是怎么理解的，对于一些入门级的初学者，我简单解释一下主管感受吧，如有错漏，请老镜友指出。
想必大家都看过动画片“神笔马良”吧？里面有一个场景，就是马良在睡觉的时候 ...
changshayou 发表于 2010-1-4 21:36

我本来在犹豫SW的820小镜，现在看来还是口径要大。
非三大的830换SW820，提升应该不明显

funder

理论是对的，但不适用于解释此现象
楼主贴的理论无法解释这样的现象：

即便是ZEISS FL级别的镜子，以8x56FL为例，如果把物镜周围遮去，口径只剩32mm，分辨率不会下降，而是略有提高。

真正造成分辨率差异的原因是残余像差。手持双筒望远镜的分辨率达不到衍射分辨率。