照相机镜头的光学特性

照相机镜头及其光学特性复习相机的基本组成:镜头(Lenses)光圈(Aperture)快门(Shutter)取景器(Viewfinder)调焦系统(FocusingSystem)暗盒复习普通相机的基本类型120相机135相机110相机一步成像照相机机背取景照相机数码相机多镜头相机主要内容一、镜头及其基本功能二、焦距和像比例尺三、相对孔径和光圈系数四、像面上的照度分布五、视场角和像场角六、镜头分解力七、景深和超焦点距离八、镜头的加膜九、色差与畸变差所有镜头具备的基本功能都是相同的，让光线进入照相机并聚焦光线在感光介质上形成清晰的影像。一、镜头及其基本功能1、镜头的基本功能2、镜头的组成一、镜头及其基本功能2、镜头的组成一、镜头及其基本功能1、焦距(FocalLength)从镜头的物方节点到物方焦点的距离叫做物方焦距。从镜头的像方节点到像方焦点的距离叫做像方焦距。镜头的焦距基本上就是从镜头的中心点到胶片平面上所形成的清晰影像之间的距离。二、焦距和像比例尺二、焦距和像比例尺2、影像比例尺abLlm1fba111fafm13、对影像大小的影响当a一定时，即在物距相等的条件下，f长，比例尺就大；f短，比例尺就小。为得到比例尺较大的影象，可以采用长焦距镜头摄影，如航空摄影，新闻摄影。在航空摄影中的像片比例尺为Hfm1二、焦距和像比例尺焦距与影像大小的关系3、镜头按焦距分类按镜头的焦距与像幅对角线长度的比值f/d，分为：标准镜头d/f=1短焦（广角）镜头d/f1长焦（望远）镜头d/f1变焦镜头二、焦距和像比例尺标准镜头135相机，40-58mm的镜头称为标准镜头。120相机，75-85mm的镜头称为标准镜头。其透视关系与人眼看物体相同，因而应用最广。短焦（广角）镜头24-35mm的镜头称为广角镜头。优点：景物空间范围很大，所摄景深很大，空间视觉效果明显。缺点：易产生影像透视变形，存在畸变像差。长焦（望远）镜头f100mm，适用于远距离摄影。•首先，质量上乘的长镜头价格昂贵；•其次，长镜头往往又大又笨重；•第三，镜头的焦距越长,照相机就必须把握得越稳定；•第四，成像质量受大气环境的影响比较大。变焦镜头在一定的范围内焦距可变。minmaxff变焦倍数1、相对孔径(RelativeAperture)定义：镜头的有效孔径d与焦距f的比值，即d／f。最大相对孔径三、相对孔径和光圈系数结论：当景物亮度B一定时，像面照度与相对孔径的平方成正比。像面中心照度204bdBKE2、像面中心照度与相对孔径的关系三、相对孔径和光圈系数204fdBKE像面中心照度公式推导三、相对孔径和光圈系数•光通量(F):单位时间内通过某一面积的光能称为通过该面积的光通量。•照度(E):用来反映物体表面被照明程度的物理量，实际上是单位面积的光通量：E=F/S。•亮度(B):光源表面沿某个方向上单位面积的发光强度叫做光源的亮度。像面中心照度公式推导三、相对孔径和光圈系数SSdBab进入镜头的光通量：SBF影像的光通量：FkF影像的照度：SSBkSFE//0由于：2221baSS22224/2adad三、相对孔径和光圈系数像面中心照度公式推导2204bdBkEfb由此可得：对于照相机来说222044fdBkfdBkE3、镜头的光强度光强度：表达镜头产生光学影像亮度的能力。超强光强度镜头1：2.8以上强光强度镜头1：3.5—1：5.8普通光强度镜头1：6.3—1：9弱光强度镜头1：9以下三、相对孔径和光圈系数2maxfdk物镜的光强度4、光圈系数定义：相对孔径的倒数为光圈系数。国际系统——多数国家与我国采用这种系统：1.0、1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22、32．．．．。设计原则：相邻二光圈的平方相差一倍。2244dfBKHtfdBKEtEH像结论：相邻的光圈系数所对应的曝光时间相差一倍。三、相对孔径和光圈系数光圈系数例：对某一景物摄影时，f/为4，t=1/100秒，可使胶卷得到合适的曝光量，若条件不变，f/调整为8，此时的曝光时间为多少？结论：1）f/数值越大，d就越小，进入镜头的光线越少，所需的曝光时间越长。2）相邻的光圈系数所对应的曝光时间相差一倍。四、像面上的照度分布4cosoEEddθθopθcosθddSθcos/fSP4222cos4cos/cos44fdBkfdBkSPdBkE1、公式推导四、像面上的照度分布2、分布规律θ°051015202530cos4θ10.990.940.870.780.680.56θ°35404550556065cos4θ0.450.350.250.170.110.060.03四、像面上的照度分布3、控制措施及校正方法(1)设计物镜时，使物镜的入射光瞳随光束倾角的增大而增大，即让dθ=d，此时(2)使用密度从中心向边缘减小的滤光片(3)上述两种方法一般可使均匀性达到40%，还要根据厂家提供的不均匀性数据或实测参数进行最后的校正(4)对均匀的白板照相可测出像面上每一点的校正参数(5)数码相机的校正θcos2opEE五、镜头的视场角和像场角fL五、镜头的视场角和像场角视场角：镜头能在像面上构成影像的范围称为视场，其直径对镜头中心所成的角称为视场角。像场角：影像清晰的圆形范围称为像场，其直径对镜头中心的张角为像场角。像幅和像场角的关系：fLtg/)2/()2/(fLarctg)2/(22fLarctg像幅一定时，像场角大小与物镜焦距成反比。物距一定时，像场角越大，摄取的景物范围越大，但比例尺小。物镜按像场角的分类摄远镜头245。标准镜头45。275。广角镜头75。2110。特广角镜头110。2133。超广角镜头133。2五、镜头的视场角和像场角现代遥感中常用的概念五、镜头的视场角和像场角视场角(FieldofView---FOV)瞬时视场角(InstantaneousFieldofView---IFOV)线阵CCD光学系统FOVIFOVGWGR1、定义：是表征物镜分辨被摄景物微小细节的能力，其大小用在焦平面上1毫米宽度内能分辨的互相平行的线条数表示，单位为线对/mm。六、镜头分辨率2、影响镜头分辨率的因素理想镜头(无像差)的角分辨率可由瑞利判据描述，即DR22.1六、镜头分辨率像面上能分辨的最小尺寸为fdfRR22.1分辨率为fdRR22.111结论：相对孔径和像差是影响实际照相物镜分辨率的主要因素3、分辩率测试方法六、镜头分辨率3、分辨率测定方法(1)目视法dR21胶镜综RRR111注：综合分解力永远小于镜头分解力或胶片分解力，并与其中的最小值相接近。光源测试砧板平行光管被测物镜六、镜头分辨率(2)摄影法(3)光学传递函数4、影响分解力测试结果的重要因素觇板的反差测试时光圈系数的大小感光材料及冲洗条件光照条件六、镜头分辨率光通过镜头时的损失镜头的吸收镜头的反射镜头的加膜：减少反射光光的干涉原理：如果同一波长的两条反射光线强度相等，且光程差为λ/2或λ/2的奇数倍，则两条光线因为干涉而相互抵消。七、镜头的加膜a的波峰与b的波谷相遇，振幅相等，方向相反，光强为零。nn1n2ab需要解决的问题：1.如何使a、b的光强相等？2.如何使a、b的光程差为λ/2？七、镜头的加膜1、如何使光强相等当光线由折射率为n1的介质到达折射率为n2的介质时要满足：baRR有因为n=1有（玻璃的折射率n2=1.5-1.7,则n1=1.2-1.3）212212nnnnR21nn2121212212nnnnnnnn七、镜头的加膜2、如何使a、b的光程差为λ/2a、b的光程差为dabnn1n2要使：有：12nd221nd14nd七、镜头的加膜3、加膜后的镜头颜色同一种介质对不同波长的色光有不同的折射率，所以加膜镜头并不能完全消除各种色光的反射。通常加膜的厚度和它的折射率是根据波长位于可见光光谱中段的绿色光(λ＝550nm)来确定的，这时可见光谱区两端的红光和紫光还会反射。因此，这样的加膜镜头都带有紫红色。多层膜。七、镜头的加膜当摄取一有限距离的景物时，在景物前后一定距离内，其构像都是清晰的。此构成清晰影像的物方纵深范围称为景深，用D.F表示。八、景深和超焦点距离1、定义2、景深公式八、景深和超焦点距离2、景深公式akfafa22122222212/2.fkafkaaaFD八、景深和超焦点距离akfafa222推导思路：(1)按相似三角形求出b1、b2和b、d、δ的关系；(2)用透镜公式求出a1和a2的表达式。3、影响景深的主要因素(1)摄影物距a越大，景深越大。八、景深和超焦点距离(2)光圈系数k越大，景深越大。3、影响景深的主要因素八、景深和超焦点距离(3)焦距f越长，景深越小。(4)模糊圆的大小所允许的δ越大，景深就越大。景深标尺3、影响景深的主要因素八、景深和超焦点距离4、超焦点距离(hyperfocaldistance)(1)定义：当镜头对焦在无穷远时，位于无穷远处的景物可清晰构像；同时离镜头不小于某一距离H的所有物体，其构像都清晰，这个距离H就称为超焦点距离。八、景深和超焦点距离(2)计算公式Haa1,kfH24、超焦点距离(hyperfocaldistance)八、景深和超焦点距离(3)超焦点距离的应用在航摄中，利用超焦点距离使地面景物清晰成像。利用超焦点距离，可以得到最大景深。当调焦至a=H时，得对相机设计非常重要。固定焦点(不能调焦)相机利用超焦点距离设计其像距。可调焦相机用超焦点距离设计最短像距。221,22aHkfa4、超焦点距离(hyperfocaldistance)八、景深和超焦点距离1、色差九、色差和畸变差原因：光学介质对不同波长有不同的折射率，因此透镜对不同波长有不同的焦距。表现：纵向位移和横向位移。PPλ1Pλ2纵向色差横向色差2、畸变差九、色差和畸变差畸变差产生的原因：在理想情况下，通过物镜前节点的入射光线与相应的通过后节点的出射光线是平行的，因此才可把航摄像片看作是地面的中心投影。但在实际的光学系统中，因为光学透镜的像差，使得物方的入射光线经过航摄仪物镜之后与像方的出射光线不再平行，因而破坏了中心投影的几何条件。arrOAfarrrr作业题教材中相应章节的有关习题。