杜呵呵光学基础知识总结

杜呵呵光学基础知识总结光学基本定律：–光学三大定律：折射、反射、直线传播–光圈景深数值孔径NA色散EFL、FNO.、BFL、FFL、光阑、FOV、相对照度、MTF阿贝尔数MTF、空间频率子午平面(meridional)弧失平面–MTF曲线、离焦曲线，理解空间频率–MTF、空间频率、TV分辨率三者关系–费马原理斯涅尔定律惠更斯定律惠更斯-菲涅耳原理夫琅禾费衍射–光通量光强光照度辉度–球差，慧差像散场曲畸变垂轴色差轴向色差–对焦调焦成像公式物像公式几何公式光学(optics)是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科光圈：是照相机上用来控制镜头孔径大小的部件，以控制景深、镜头成像质素、以及和快门协同控制进光量，在快门不变的情况下，光圈越大，进光量越多，画面比较亮；光圈越小，画面比较暗。景深：是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。(1)、镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；(2)、镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；3)、拍摄距离:距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。数值孔径(NA)：NA=n*sinα，其中n是被观察物体与物镜之间介质的折射率;α是物镜孔径角(2α)的一半。数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数，是判断两者(尤其对物镜而言)性能高低(即消位置色差的能力。色散：材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增大）而减小的性质。七色光。对于一枚镜头而言，不同色光的焦点位置实际上是不一样。阿贝数：用以表示透明物质色散能力的反比例指数，数值越小色散现象越厉害。材料的折射率越大，色散越厉害，即阿贝数越低。费马原理：光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。又称最小时间原理或极短光程原理。斯涅尔定律Snell'sLaw(光的折射定律）:光入射到不同介质的界面上会发生反射和折射。n1sinθ1=n2sinθ2叫斯涅尔公式。惠更斯原理：球形波面上的每一点（面源）都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面。其核心思想是：介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。惠更斯-菲涅耳原理Huggens-Fresnelprinciple：行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面。夫琅禾费衍射：把单色点光源放在透镜的焦点上，经过透镜后的单色平行光垂直照射衍射屏时，在屏后面不同距离上会观察到一些衍射现象，其中当屏远离到足够大的距离后，光斑中心出现一个较大的亮斑，外围是一些较弱的明暗相间的同心圆环，此后再往外移动，衍射花样出现稳定分布，中心处总是亮的，只是半径不断扩大而已，这种衍射称为夫琅禾费衍射，又称远场衍射。光通量Φ：单位：流明[lm]，光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和即为光通量（Φ）。光强；单位：坎德拉[cd]：一般来讲，光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。可见光在某一特定方向角内所发射的强度就叫做光强（l）。照度E:单位：勒克司[lx],照度（E）是光通量与被照射面积之间的比例系数。1lx即指1lm的光通量平均分布在面积lm2平面上的明亮度。辉度L：单位：坎德拉/平方米[cd/m2]：辉度（L）是表示眼睛从某一方向所看到物体反射光的强度色温:单位开尔文[K]:,当光源所发出的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体”的温度就称为该光源的色温。“黑体”的温度越高，EFL与FOV焦距越短，视场角越大，放大倍率越小，监控范围越大，反之视场角越小，放大倍率越大，监控画面中人越大。FNO=EFL(焦距)/D(光圈直径)：对于定焦镜头（光圈直径）越大，通光量就越大；MB---机械后焦，指镜头最后的机械面到像面的距离，BF---光学后焦，指镜头最后一片镜片最后一面中心点到像面的距离。FB---法兰后焦，镜头法兰面到像面的距离。MTF可以近似理解为黑白线条的对比度，最大值为1；芯片的极限分辨率=2倍的pixelsize分之一，单位为lp/mm焦深越大，镜头聚焦越容易。子午平面(meridional)：轴外物点与光轴所确定的平面弧矢平面(sagittal)：过主光线且与子午面垂直像差：球差，慧差，像散，场曲，畸变，轴向色差，垂轴色差。产生的原因：1.球面折射系统的特性2.不同孔径入射光线像的位置不同3.不同视场的成像倍率不同4.子午、弧矢面成像性质不同5.相同光学介质对不同波长的色光折射率不同只考虑球差展开式前2项的系统，当边缘球差为零时，在0.707位置残余球差最大为高级球差的-1/4。球差：是高度或者孔径角的函数1.球差的对称性－函数不含奇次项2.孔径小－初级球差为主要影响3.孔径大－高级球差为主要影响4.正单透镜产生负球差，负单透镜产生正球差三对不产生像差的共轭点称为不晕点或者齐明点彗差（coma）：彗差是孔径和视场的函数1.在子午面和弧矢面内用不同孔径的光线对在像空间的交点到主光线的垂直距离。子午彗差：子午面内的光线对交点到主光线的垂直距离弧矢彗差：弧矢面内的光线对交点到主光线的垂直距离在实际光学设计中，一般物点所成像偏离对称光斑的情况都是光学系统的彗差（正弦差）造成像散：由于轴外物点偏离轴对称位置，细光束中也会表现出子午和弧矢的成像差别，使得子午像点与弧矢像点不重合。即一个物点的成像将被聚焦为子午和弧矢两个焦线，这种像差我们称为——像散。场曲：像场弯曲的简称，是平面物形成曲面像的一种像差畸变（distortion）:垂轴放大率随视场增大而变化,枕形畸变（pincushion）－正畸变,桶形畸变（barrel）－负畸变,畸变仅由主光线光路决定，引起像的变形，不影响成像清晰度,光阑位置影响畸变,透镜之前产生负畸变,透镜之后产生正畸变。色差－轴向色差:沿光轴度量的色差色差同时存在于近轴和远轴区域，一般情况下，正透镜产生负色差，负透镜产生正色差，所以，光学系统校正色差须用正负透镜组合。色差－垂轴色差:波长→折射率→焦距→放大倍数→垂轴色差（倍率色差）两种色光的主光线在高斯面上的交点高度之差。变焦（zoom）：改变焦距f也改变了镜头的视场，原理是在镜头中加一组活动的透镜。调焦（Focus）改变像距v，即改变镜头光心到sensor平面的距离。变焦镜头原理图：成像公式：1/u+1/v=1/f,其中u是物距，v是像距，f是焦距。物像计算公式：f=hD/H，D：物距h：象高H：物高。电视线：TVLine=lp/mmx2x传感器的靶面高度=lp/mmx2x传感器垂直分辨率x像素点尺寸几何光学公式：几何光学公式.pdf