应用光学第十六章

1、苏州大学现代光学所苏州市十梓街1号，215006*马 韬 第十六章 摄影及摄影光学系统应用光学应用光学2目录目录摄影系统的光学特性1摄影镜头简介2取景和测距系统3感光胶片简介4放映和投影系统的照明6放映和投影镜头516.116.1摄影系统的光学特性摄影系统的光学特性1.1.分辨率分辨率 根据光学系统的分辨率 像面上的最小分辨距离为 摄影系统的分辨率常用每毫米能区分的线条数表示，即 对人眼最灵敏的555nm波长实际上，由于渐晕、像差，加之图像接收器本身的分辨率限制，一般达不到上述分辨本领。胶片相机视场中心的鉴别率可以做到每毫米60线对以上，数码相机视场中心的鉴别率有的可以做到每毫米120线对以上

2、。16.116.1摄影系统的光学特性摄影系统的光学特性2.2.摄影系统的光谱能量特性摄影系统的光谱能量特性 胶片上光化学反应或图像传感器上光电效应的程度与其获取的光能量大小有关，光能量的大小用像面的照度表示，小视场、大孔径和完善成像系统的光照度公式为： 上式同样适用于摄影光学系统的中心视场，对于此有 当物体在无穷远时，=0,则 当物体在有限远时，由于0则 ，于是sin2210UnnKBEk2220)(24zzfaKBE220424fDKBfaKBE1zz204fDKBE16.116.1摄影系统的光学特性摄影系统的光学特性 特别是像处于对称位置时，=-1，当镜头采用兑成式结构时，z=1，于是 与

3、物体在无穷远时的照度公式相比，物体在有限远时的像面照度减弱了3/4 相对孔径的倒数称为F数或光圈数，摄影光学系统的光照度公式用F数表示为 对于结构对称的照相镜头(z=1),有 定义F(1-)为镜头的有效光圈，其值定义了拍摄条件下的光度特性 F数通常以 为公比排列成等比级数：22.845.68111622322016fDKBE2220)(4ZzFKBE220)1 (14FKBE16.116.1摄影系统的光学特性摄影系统的光学特性3.3.几何焦深几何焦深 保持接收器感觉为清晰像的最大离焦量，即像面相对于镜头在光轴方向上移动的范围，称 为镜头的几何焦深 由右图可直接求得几何焦深2为 在对称式镜头中4

4、.4.景深景深 景深指当调焦于某一对象时，前后能成清晰像的空间深度 摄影光学系统的前景深1和后景深2分别为 所以，对准距离远，光圈数大，相对孔径小，焦距短，则景深大。 tan2Uz)1 (22Fz镜头几何焦深示意图16.16.2 2摄影摄影镜头镜头1.1.大孔径镜头大孔径镜头 匹兹万镜头匹兹万镜头该镜头是1841年匈牙利数学家匹兹万设计的，它是国内外第一个用像差理论设计的镜头，该镜头至今还在广泛使用中，匹兹万镜头常用作放映镜头，它有较大的相对孔径，但是视场偏小，光学参数是D/f=1/2,2=16度左右 柯克镜头柯克镜头柯克镜头由三片薄透镜组成，中间的透镜是负透镜，两边是正透镜，柯克镜头的光学性

5、能指标比较适中，相对孔径 ,视场角2=16度左右4151fD16.216.2摄影镜头摄影镜头 天赛镜头天赛镜头改进柯克镜头像质的关键在于减小或校正它的轴外球差。目前采用两种方法一种是在柯克镜头后面的正透镜上增设一个胶合面，使胶合面上产生负像散，其值远大于其他像差，轴外球差得以校正，这种结构称为天赛镜头，天赛镜头的光学性能略优于柯克镜头：相对孔径 ，视场角2=55度天赛镜头的第二种改进方案是：用透镜分裂的方式代替单透镜，以增大透镜的弯曲半径 松纳镜头松纳镜头在柯克镜头第一块正透镜后面增加一块不晕透镜，就形成了松纳镜头，松纳镜头只适用于视场角为2=20度30度的应用场合 8 . 215 . 31f

6、D16.216.2摄影镜头摄影镜头 双高斯镜头双高斯镜头双高斯镜头是摄影镜头中常见的一种镜头，其基本结构适用于相对孔径D/f=1/2，视场角2=40度双高斯镜头的轴上球差和轴外球差，或者说球差和像散是一对矛盾，这也是双高斯镜头适应了大孔径要求后，就要减小视场的原因，解决这个矛盾的方法有三种：1）选用高折射率、低色散的玻璃作为正透镜的材料，可以使折射面曲率减小，对轴上点和轴外点的高级球差都有利2）把正透镜一分为二，这样可使透镜的光焦度分散，折射面曲率减小，且透镜弯曲的自由度增加，有利于轴上点和轴外点高级球差的校正3）在前后两个半组之间引入无光焦度的校正板，校正板分担了厚透镜内侧球面的负担，且使前

7、半部系统远离光阑，对轴外像差，特别像散的校正有利16.216.2摄影镜头摄影镜头2.2.广角镜头广角镜头 反远距型镜头反远距型镜头反远距镜头由两个镜组组成，靠近物方的前组为负透镜组，后组为正透镜组，两者相隔一定的距离，这种结构使像方主面向系统的后面移动，从而得到比焦距更大的后工作距，两镜组的间隔越大，像方主面向后面移动的距离越大，镜头的后工作距越大反远距镜头有短焦距、大视场和长的后工作距，而且有像方视场角小于物方视场角的特征 超广角镜头超广角镜头视场角290度的镜头称为超广角镜头，由于视场大，照度分布更不均匀。2=120度的镜头，在不考虑渐晕的情况下，边缘视场的照度只有中心视场照度的6.25%

8、，对于大多数接收器来说，这样的照度差异超出了它的线性接收范围，很难得到理想的摄影效果16.216.2摄影镜头摄影镜头照度分布的均匀性是超广角镜头设计的关键，解决照度不均匀的问题有以下几种方法：1）像差渐晕的方法2）对称式超广角镜头3）用镀膜的方法改善像面的照度分布 长焦距镜头长焦距镜头长焦距镜头是一种特写镜头，适用于远距摄影，与短焦距镜头相比，长焦距镜头成像的比例大，普通照相机上用的长焦距镜头可达600mm的焦距，高空摄像机的镜头焦距可达几米 变焦距镜头变焦距镜头变焦镜头在使用过程中，它的焦距可以在一定范围内连续改变，能在拍摄固定目标的情况下，获得连续地改变画面景象比例的效果16.316.3取

9、景和测距系统取景和测距系统 取景和测距是摄影设备的两项基本功能，取景功能为摄影提供对准的目标以及景物的拍摄范围，测距功能能为镜头的调焦提供准确的物距取景的两项基本要求：取景的两项基本要求：1）在取景器中观察到的景物范围与镜头接收器上的成像范围应该一致2）取景器中观察到的物体力求是正立的像取景范围与镜头成像范围不一致的误差称为视差，它源于取景器和摄影镜头的非共轴性如右图所示，线段OP即为视差，可表示为视差与物距有关，距离越近视差越大，b=0时视差为零，即单镜头相机就没有视差。上述视差可用取景框沿垂轴方向的平移予以消除bll双镜头照相机取景示意图16.316.3取景和测距系统取景和测距系统 物距变

10、化时，镜头到接收器的距离需要调节，称为调焦 调焦量依据于测出的物距数据，测距方式有目视法和测距法两种 测距系统有两项基本要求： 1）测距精度,测距误差不应超过镜头的景深 2)测距速度，力求快速、方便 引用体视测距的原理，测距误差可由式（14.32）的微分表示为 由于观测系统有角放大的作用，所以测距误差应表示为 若人眼的瞄准精度为min，则极限测距误差为理论上讲，提高测距精度，可以尽量加大基线的长度，但是基线长度b受照相机尺寸的限制bLL2bLL2min2bLL16.416.4感光胶片感光胶片1.1.概述概述 感光胶片是摄影仪器中记录和保存影像的器件，它以“潜影”的方式把影像的信息记录下来，然后

11、再通过显影和定影把影像重现出来 感光胶片分黑白胶片和彩色胶片，由基片、感光层、保护层及辅助层组成，下图是黑白胶片的结构示意图 图中片基是感光材料的载体，聚酯片基是胶片片基的主流材料 感光层是胶片的核心，它由悬浮在明胶中的光敏材料颗粒组成，目前，光敏材料以卤族元素的银盐为主，它的优点是感光度高，记录密度大，对比度、色调还原性和化学稳定性好。但是银盐胶片图像的工艺制作过程复杂而时间长，限制了它的使用。非银盐材料有光敏重氮胶片、静电感光材料和光致抗蚀剂三类16.416.4感光胶片感光胶片 彩色胶片的结构比较复杂。感光层分为三层：感蓝、感黄和感红乳剂层。每层乳剂中除了银盐感光材料外，分别渗入黄、品红和

12、青色的表现色彩效果的成色染料。 胶片的感光是一个化学反应过程，感光层在光的照射下，卤化银中的银离子还原成银原子，沉积在受光点附近，形成银斑，构成“潜影”。用显影液处理曝光后的胶片，潜影中的银离子继续还原，银原子的密集度增加，形成可辨认的“黑点”。黑点起阻光作用，设I0和It分别表示胶片某点上的投射光强和透过光强，该点的阻光率定义为 O=I0/It 胶片的透过率定义为阻光率的倒数 T=1/O=It/I0 光学密度为 D=lgO 曝光量为 H=Et16.416.4感光胶片感光胶片2.2.感光胶片特性感光胶片特性 感光度感光度感光度是度量感光材料化学反应灵敏度的指标。在同样曝光量和同样冲洗条件下，胶

13、片的光密度越大，感光度越高。感光度S数值计算方式： S=K/H0对数定义方式： 反差系数反差系数成像画面上各个部位明暗的差别用反差的概念描述。反差用亮度比的对数值表示，即利用透过光强定义两点的反差0lg101HKS NMBBClg12lgNMIIC 16.416.4感光胶片感光胶片若用I0表示入射光强，显然有上式表明胶片的反差等于光密度差胶片特性曲线直线部分的斜率称为胶片的反差系数，以表示，即 =tan或写为 宽容度宽容度胶片所能接收的最大和最小曝光量的范围称为胶片的宽容度，显然它应该用特征曲线线性部分对应的曝光量表示： L=lgHD-lgHC对一定值的胶片的宽容度越大，记录景物明暗的层次越丰

14、富，使用上也越方便0000lglg/lglgNMNMNMNMDDIIIIIIIIIINMNMNMNMBBDDCCHHDDlglglglg2116.416.4感光胶片感光胶片 灰雾度灰雾度胶片未经曝光，显影后的胶片也不是完全透明的，它有一定的透过率，从而构成一层灰蒙蒙的背景，称为灰雾。灰雾的量值用它的光学密度表示，称为灰雾度D0。灰雾的存在降低了画面的对比度，影响了画面的质量 最大密度最大密度胶片能达到最”黑“的程度称为最大密度，反转点E所代表的光学密度就是胶片的最大密度 分辨率和颗粒度分辨率和颗粒度胶片的分辨率是以每毫米内它能分辨的黑白条纹的数目定义和测试的，颗粒越细，乳剂厚度越薄，胶片分辨率

15、越高 感色性感色性黑白胶片对各波长光的敏感度称为它的感色性16.516.5放映和投影镜头放映和投影镜头 放映和投影镜头的光学特性除了用视场、孔径、焦距表示外，因工作在有限距离上，需增 设一个倍率参数。根据集合成像关系，倍率与镜头的焦距和物距关系是 式中，是镜头的放大率，L是物面到成像屏幕间的共轭距 对于测量用的投影镜头来说，追求的是测量精度，其他条件不变的情况下，倍率越大，细 节被分辨的可能性越大，定位、对准和测量的精度越高 放映和投影镜头都是用来放大图片的，设计中首先要考虑照度问题，像面的照度大小和分布均匀性至关重要。因为是放大镜头，当选用对称或近对称结构时z=1，于是式（16.7）演变为L

16、f12222024zfaKBE16.516.5放映和投影镜头放映和投影镜头 电影放映屏幕上的亮度标准是：中心是55lx，边缘是40lx 投影镜头屏幕的亮度标准是20100lx 增大像面照度有两个途径： 1.增大镜头的相对孔径 2.提高照明光源的亮度16.616.6投影及放映系统的照明投影及放映系统的照明投影及放映光学系统由于要成放大像，为了保证一定的像面照度，通常要加照明系统。因 此，其光学系统包括照明系统和成像系统两部分 照明系统的类型有透射光照明和反射光照明，前者包括电影放映机、放大机及一些透射照明投影系统，后者有反射投影仪、某些液晶投影系统等为了使被放映的物面得到均匀的照明，投影或放映系统和照明系统应满足一定的位置关系或光瞳匹配关系，设物面上亮度B1,放映系统透过率K，屏幕上照度随视场角变化 放映物镜通常成放大像，U很小，所以 ，于是 其中 为成像光束在出瞳上所截面积，考虑到通常很小，要使像面照度均匀，必 须使各视场的S相同cossincos4140UKBEE2sinlDU cos41lSKBE 241DS16.16.6 6投影及放映光学系统投影及放映光学系统 任意安置时：光源C1A1B1成像于C1A1B1，所有光通量均在阴影之内。 图片为A2B2C2，