CCTV-3-光学原理

1、C CC CTVTV本课程涉及内容本课程涉及内容图像传感器原理图像传感器原理电视原理电视原理数字视频压缩原理数字视频压缩原理黑白、彩色摄像机黑白、彩色摄像机摄像镜头摄像镜头电动云台及控制器电动云台及控制器监控系统主机监控系统主机监控中心的其他设备监控中心的其他设备监控系统的辅助设备监控系统的辅助设备视音频信号的传输与控制视音频信号的传输与控制电视监控系统的构成电视监控系统的构成基于网络的电视基于网络的电视监控系统监控系统C CC CTVTV将各种不同形状、不同介质（塑料、玻璃或晶体）将各种不同形状、不同介质（塑料、玻璃或晶体）的光学零件（反射镜、透射镜及棱镜）按一定方式组合的光学零件（反射镜、

2、透射镜及棱镜）按一定方式组合起来，使得由物空间的物体发出的光线经过这些光学零起来，使得由物空间的物体发出的光线经过这些光学零件的透射（折射）或反射以后，能按照人们的需要改变件的透射（折射）或反射以后，能按照人们的需要改变光线的传播方向，射出光学系统而为接收器件所接收，光线的传播方向，射出光学系统而为接收器件所接收，即完成了物体的光学成像过程。即完成了物体的光学成像过程。C CC CTVTV：（1）点成点像）点成点像 对于物空间的任何一个点，在像空对于物空间的任何一个点，在像空间必有一个点与之对应，而且只有一个点与之对应。间必有一个点与之对应，而且只有一个点与之对应。通常把这两个对应点称为共轭点

3、。通常把这两个对应点称为共轭点。（2）线成线像）线成线像 对于物空间的任何一条直线，在像对于物空间的任何一条直线，在像空间必有一条直线与之对应，而且只有一条直线与空间必有一条直线与之对应，而且只有一条直线与之对应。通常把这两条对应线称为共轭线。之对应。通常把这两条对应线称为共轭线。（3）对称轴共轭）对称轴共轭 物空间和像空间存在着唯一的共物空间和像空间存在着唯一的共轭对称轴。当物空间内某点轭对称轴。当物空间内某点A绕该空间内的对称轴旋绕该空间内的对称轴旋转任意一个角度转任意一个角度 时，它的共轭像点时，它的共轭像点A也必绕像空间也必绕像空间的对称轴旋转同样一个角度的对称轴旋转同样一个角度 。通

4、常把这一对共轭的。通常把这一对共轭的对称轴称为光轴对称轴称为光轴3.1理想光学系统的物像关系理想光学系统的物像关系 C CC CTVTV（1）若）若A、B两点分别与两点分别与A、B共轭，则直线共轭，则直线AB必必与直线与直线AB共轭。共轭。（2）同心光束经理想光组变换后，仍为同心光束。）同心光束经理想光组变换后，仍为同心光束。（3）物空间的任何一个平面经理想光组变换后，在）物空间的任何一个平面经理想光组变换后，在像空间的共轭图像也必为一个平面。像空间的共轭图像也必为一个平面。（4）若物空间内的平面垂直于光轴，则其共轭像平）若物空间内的平面垂直于光轴，则其共轭像平面也必垂直于光轴。面也必垂直于光

5、轴。（5）理想光组一对共轭面的横向放大率等于一个常）理想光组一对共轭面的横向放大率等于一个常数，该常数与物高无关。数，该常数与物高无关。a) 凸透镜成像b) 凹透镜成像 C CC CTVTVC CC CTVTV主点到焦点的距离称为焦距。其中物方主点主点到焦点的距离称为焦距。其中物方主点H到物到物方焦点方焦点F之间的距离称为物方焦距，记为之间的距离称为物方焦距，记为f；自像方主；自像方主点点H到像方焦点到像方焦点F之间的距离称为像方焦距，记为之间的距离称为像方焦距，记为f。焦距焦距f和和f均为代数量，分别以主点均为代数量，分别以主点H、H为起算点计算为起算点计算到焦点到焦点F及及F，以光线传播（

6、从左向右）方向为正，从，以光线传播（从左向右）方向为正，从右向左为负，如图所示，右向左为负，如图所示，f值为负，值为负，f值为正。值为正。C CC CTVTV理想光学系统作图求像示意图理想光学系统作图求像示意图 C CC CTVTV牛顿公式牛顿公式 yyfxxfxxff高斯公式高斯公式 flfl 1yyflf lC CC CTVTV在实际应用中，镜头是放在空气中的，在实际应用中，镜头是放在空气中的，物空间的折射率等于像空间的折射率，则此物空间的折射率等于像空间的折射率，则此时的物方焦距时的物方焦距f等于像方焦距等于像方焦距fxxf2111llfyyll牛顿公式牛顿公式 高斯公式高斯公式 C C

7、C CTVTV：1光阑光阑实际光学系统，只可能在一定空间和一定光束孔径实际光学系统，只可能在一定空间和一定光束孔径范围内构成满意的物体像。因此，必须在光学系统中采范围内构成满意的物体像。因此，必须在光学系统中采用光阑，以限制成像空间和光束孔径。用光阑，以限制成像空间和光束孔径。光阑的作用是：光阑的作用是：改善系统成像质量，改善系统成像质量，决定通过系统决定通过系统的光能，的光能，拦截系统中有害的杂散光等。拦截系统中有害的杂散光等。 3.2光学系统中光束限制及系统分辨光学系统中光束限制及系统分辨率率C CC CTVTV光阑通常由光学零件的镜框或加入专门的光阑通常由光学零件的镜框或加入专门的带孔金

8、属板等构成，其对称中心一般都在系统带孔金属板等构成，其对称中心一般都在系统的光轴上。光阑按用途可分为：有效光阑、视的光轴上。光阑按用途可分为：有效光阑、视场光阑及消杂光光阑等。场光阑及消杂光光阑等。（1）视场光阑视场光阑 用以限制系统的成像范用以限制系统的成像范围。它对前方系统所成的像叫入射窗，对后方围。它对前方系统所成的像叫入射窗，对后方系统所成的像叫出射窗。系统所成的像叫出射窗。（2）有效光阑有效光阑 用以限制轴向成像光束用以限制轴向成像光束孔径的大小，也称作孔径光阑。它对前方系统孔径的大小，也称作孔径光阑。它对前方系统所成的像叫入射光瞳，对后方系统所成的像叫所成的像叫入射光瞳，对后方系统

9、所成的像叫出射光瞳。出射光瞳。C CC CTVTV除了少数只对一个平面成像的光学除了少数只对一个平面成像的光学系统（如放大照片用的放大机物镜和电影放映系统（如放大照片用的放大机物镜和电影放映物镜等）以外，照相机或摄像机的镜头一般都物镜等）以外，照相机或摄像机的镜头一般都要求对要求对成像，也就是说，光学成像，也就是说，光学系统应能使距镜头不同距离远的各空间物体能系统应能使距镜头不同距离远的各空间物体能同时在像平面上成一清晰的像，这就引出了同时在像平面上成一清晰的像，这就引出了C CC CTVTV1221 222|llZZl lD fDff121 2211()| |llZl lDfl（1）容许的光

10、斑直径）容许的光斑直径Z越大则景深越大。其中光斑直越大则景深越大。其中光斑直径径Z的大小与图像传感器的分辨率有关。的大小与图像传感器的分辨率有关。（2）景深与照相物镜的光束口径）景深与照相物镜的光束口径D、焦距、焦距f和物距和物距l等等3个参数均有关，即：个参数均有关，即：光束口径光束口径D越小则景深越大。焦距越小则景深越大。焦距f越小则景深越大。越小则景深越大。物距物距l越大（被摄物越远）则景深越大越大（被摄物越远）则景深越大。式中，式中，D/f为照相物镜的相对孔径。镜头的相对孔径越小为照相物镜的相对孔径。镜头的相对孔径越小（即光圈越小）则景深越大；在（即光圈越小）则景深越大；在D/f相同的

11、条件下，焦距相同的条件下，焦距f越小（如短焦距的广角镜头）则景深越大。越小（如短焦距的广角镜头）则景深越大。一般情况下，对照相物一般情况下，对照相物来说，来说，|l|f，C CC CTVTV3.3摄像物镜系统摄像物镜系统摄像物镜系统（简称摄像物镜系统（简称）能够将远距）能够将远距离目标成像在离目标成像在CCD器件的靶面上，其光学特器件的靶面上，其光学特性主要由三个参数决定，即焦距性主要由三个参数决定，即焦距f、相对孔径、相对孔径D/f和视场角和视场角2 。在闭路电视监控系统中，摄像机需根据在闭路电视监控系统中，摄像机需根据实际使用的需要选配定焦距镜头或变焦距镜实际使用的需要选配定焦距镜头或变焦距镜头，其中定焦距镜头指的是具有固定焦距头，其中定焦距镜头指的是具有固定焦距f的的镜头，因而其相对孔径镜头，因而其相对孔径D/f和视场角和视场角2 都是都是固定不变的，但它一般都有一个光强控制系固定不变的，但它一般都有一个光强控制系统（即光阑或光圈）。统（即光阑或光圈）。C CC CTVTV当镜头的焦距及视场在一定范围内改变当镜头的焦距及视场在一定范围内改变时，其在时，其在CCD靶面上成的像始终清晰，也就靶面上成的像始终清晰，也就是说，要使其像面位置保持不变。能满足上是说，要使其像面位置保持不变。能满