第十章--照相机和投影光学系统

1第十章照相机和投影光学系统•1照相系统•2投影系统21照相系统照相系统：照相系统需对物空间物体成清晰的像。照相机和投影仪广泛应用，军事上的高、低空侦察摄影、航空测量摄影、科学研究中的记录摄影和高速摄影、生物学中的显微摄影、印刷业中的照相制版、文艺方面的电影电视摄影等仪器都属照相机一类;而电影放映机、幻灯机、计量用投影仪等都属投影仪一类。照相机通常由物镜、感光元件、调焦系统三部分组成像平面（感光底片）在像方焦面附近，在小范围内调节镜头和底片的距离，可使不同距离以外的物体成清晰的实像于底片上。感光元包括：感光胶片、CCD传感器、电子光学变像管、电视摄像管等。常见的摄影系统有：照相机、摄影机、空中侦察系统和测绘光学系统等。4焦距f’、相对孔径D/f’、视场2。1.焦距f’——成像大小一、照相物镜的光学特性5在摄影系统中，焦距决定了拍摄像的放大率。用不同焦距物镜，对前方同一距离处的物体进行拍摄时，焦距长则像放大倍率大，焦距短则像放大倍率小。'/fx根据焦距不同，普通照相机镜头可分为标准镜头、广角镜头、超广角镜头、中焦镜头、摄远镜头和超摄远镜头。变焦镜头较常见的变焦范围为35mm~70mm。这种镜头可取代普通标准镜头，使用起来更为灵活。对于同样的接收器尺寸，放大倍率小的物镜，拍摄范围就大；放大倍率大的物镜，拍摄范围就小。6772.相对孔径D/f’——像面（照片）照度2'fDL41'E8突然会想到梵高的《星空》，然后感受到时间在流逝，我们在忙着“定格”。快门1秒、1/2秒、1/4秒、1/8秒、1/15秒、1/30秒、1/60秒、1/125秒、1/250秒、1/500秒、1/1000秒、1/2000秒……快门速度在机身上分别标注为：1、2、4、8、15、30、60、125、250、500、1000、2000……另外很多相机还有“T门”和“B门”相邻两级的快门速度的曝光量相差一倍，我们常说相差一级。如1/60秒比1/125秒的曝光量多一倍，即1/60秒比1/125秒速度慢一级或称低一级，1/60秒的曝光量是1/125秒曝光量的2倍。快门特性（一）：控制进光量焦距:50mm光圈:f/8.0ISO感光度:125曝光时间:1/10曝光补偿:-0EV白平衡:自动焦距:50mm光圈:f/8.0ISO感光度:125曝光时间:1/125曝光补偿:-0EV白平衡:自动焦距:50mm光圈:f/8.0ISO感光度:125曝光时间:1/500曝光补偿:-0EV白平衡:自动焦距:50mm光圈:f/8.0ISO感光度:125曝光时间:1/4000曝光补偿:-0EV白平衡:自动上图很直观的为我们展现出不同快门速度对于画面明暗的影响。一般来说人手持相机拍摄时快门速度不能低于1/30秒，不然很容易因为抖动而拍虚，如果必须要使用慢速快门，那最好给相机配备一个三脚架。总结：快门速度越快，光线通过时间越短，画面越暗快门速度越慢，光线通过时间越长，画面越亮快门特性（一）：控制进光量13快门特性（二）：不同的拍摄效果快门的作用不仅是在控制通光量的多少上，还能使您的照片表现出不同的效果。高速快门一般用作于捕捉物体瞬间的美，比如在拍摄一些转瞬即逝的画面或者拍摄运动速度较快的物体时就需要我们用到高速快门。高速快门能捕捉物体瞬间14较低的快门速度能让我们拍摄出过程美，当你要拍的是夜晚的车水马龙，快门时间就要拉长，常见照片中丝绢般的水流效果也要用慢速快门才能拍出来。快门时间可以手动调节到很长，有的时候甚至可以达到几小时。不同的快门速度能给我们带来完全不一样的拍摄效果，如果对此有兴趣可以去尝试各种不同的快门速度所带来的不同效果，相信能在这种不断尝试的过程中收获快乐。总结:快门速度越快，越能抓拍瞬间，表现瞬间美快门速度越慢，越能捕捉过程，表现过程美长时间曝光能得到独特的效果慢速快门拍摄车流快门特性（二）：不同的拍摄效果153.视场——成像范围∞物体：2近距离物体：2y（1）拍摄远处的物体时：tg=-y’/f’（2）拍摄近处的物体时：y=y’/=x(y’/f’)y’F’--y摄影物镜的感光元件框是视场光阑和出射窗，它决定了像空间的成像范围。摄影底片限制了摄影物镜的视场角。摄影物镜视场的大小是由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。物镜的焦距越短，则其视场角越大；焦距越长，视场角越小。普通标准镜头的视场角为40～600。16三者间关系171819二、照相物镜的光束限制（有渐晕）20三、照相物镜的分辨率•分辨率以像面上每mm内能分辨开的线对数来表示。•按瑞利判断，两点间距离等于艾里斑半径a时即可分辨:fD22.1NA61.0''usinn'61.0a'物方：物镜的理论分辨率：FNL15001F——物镜的光圈数。此公式决定了视场中心的分辨率。视场边缘由于成像光束的孔径角比轴上点小，分辨率有所降低，且在子午和弧矢方向也有差异。理解rLN1N1N1摄影系统的分辨率N，以经验公式表示：照相分辨率同时被摄影物镜的分辨率和底片的分辨率所决定。21四.照相物镜的景深照相制版、放映、投影物镜等只需对一对共轭面成像。电视、电影系统、照相系统则要求光学系统对整个或部分物空间同时成像于一个像平面上。22五、照相物镜的类型大孔径大视场定焦距物镜普通物镜大相对孔径物镜广角物镜远摄物镜变焦距物镜变焦距物镜照相物镜的原则应该是:既能满足光学性能和成像质量的要求，而结构又最简单。摄影物镜的类型★属于大视场、大孔径的光学系统；★需校正全部像差（单色像差、色差）。四类摄影物镜：1）大孔径物镜（常用，匹兹万物镜、柯克物镜）；2）广角物镜（短焦距）；3）长焦距物镜（长焦距）；4）变焦距物镜（焦距可调节）。★关键：高级像差的校正——选择物镜的类型。241.普通物镜f’:20~500mm应用范围广。柯克三片式物镜：D/f’:1:9~1:2.82:640天塞物镜：D/f’:1:3.5~1:2.82:500~600A.定焦距物镜（a）柯克物镜（b）天塞物镜25双高斯物镜相对比较复杂，双高斯物镜：f’=50mm，D/f’=1:2，2=400~600。2.大相对孔径物镜26正透镜在前，像方主面前移3.远摄物镜特点：焦距较长，后截距较短，视场角较小，十几度。机械筒长L’(=d+lF’)f’，L’/f’为摄远比，L’/f’0.8，一般L’＝0.7f’。高空摄影物镜，f’可达3m以上。普通相机也可配600mm的长焦镜头。f’dlF’F’H’L27f’lF’F’H’负镜在前，像方主面后移4.广角物镜特点：焦距较短，后截距较长，视场照度比较均匀。视场角可达600以上。常用于摄制彩色电影。后截距较长,便于物镜和感光片之间安放分光元件。28鱼眼镜头鱼眼镜头又称全景镜头，它是一种超广角镜头，视场角等于或大于1800，镜头的前镜片突出，犹如鱼眼。这种镜头的外壳上常刻有“fish—eye”字样。圆形、矩形291200鱼眼900鱼眼1800鱼眼1500鱼眼30B.变焦距物镜f’在一定范围内连续变化，而像面位置固定不变。31变焦距光学系统的原理（二）物像交换原则（一）变焦距的物理意义★焦距连续变化，物、像面保持不动。★图像面保持不动，物镜变换位置32★变焦组组成：变倍组——线性运动；补偿组——非线性运动光学补偿变焦系统3、像面的机械补偿法4、像面的光学补偿法1、像面补偿的方法——机械补偿和光学补偿法2、补偿的构成——前固定组A、变焦组B、C、D和固定组Ek变焦组透镜一起线性运动33变焦距镜头光学元件示意图1-前固定组，2-变倍组，3-补偿组，4-后固定组34变焦距镜头的工作原理图变焦距物镜的基本原理是利用系统中两个或两个以上透镜组的移动，改变系统的组合焦距，而同时保持且后像面位置不变，使系统在变焦过程中获得连续清晰的像。变焦距物镜通常都是按系统中变焦物镜组。即系统中的可移动透镜组的个数，以及正透镜组和负透镜组的配置位置进行分类的。35镜头变焦距范围有两个极限焦距。fmax’/fmin’＝M——变倍比变焦系统由多个子系统组成，f’的变化是通过一个或多个子系统的轴向移动，改变光组间隔来实现的。k321k1k2111k1'f'u'u'u'u'uh'uh'fmink32maxk32M★变焦过程像面保持稳定；★均匀改变焦距；★相对孔径基本保持不变；★成像质量符合要求；362投影系统投影系统——被照明的物体，以一定大小倍率成像在屏幕上的光学系统。投影系统是把一平面物体放大成一平面实像以便于人眼观察。类似于倒置的摄影系统37一、照明系统投影系统：照明系统+投影物镜对物面的照明有两个基本要求：一是物面照明要尽可能均匀，二是照明面上要有足够的光通量。必须应用大孔径角照明系统和适当的光源。按照明系统的结构型式分为：透射照明投影系统、反射照明投影系统和折反射照明投影系统381.临界照明光源成像于物平面。——多用于投影物体面积较小的情况。“窗对窗，瞳对瞳”光源表面亮度的不均匀性影响观察效果。要求：光源的像大于投影物体面积，电影放映机392.柯勒照明光源成像在投影物镜的入瞳上。消除了物体平面光照度不均匀的缺点。幻灯机和放大机。“窗对瞳，瞳对窗”——多用于大面积的投影情况。优点：容易在像平面上获得均匀的照明。40照明系统提供的光能要想全部进入投影系统，并具有均匀的照明，二者必须满足以下衔接条件：拉赫不变量：照明系统的J1投影成像系统的J2；保证两个系统的光瞳衔接和成像关系。41LCD投影仪原理42DLP投影仪原理43StepandScanSystem193nmExcimerLaserSourceComputerConsoleExposureColumn(Lens)Wafer晶片Reticle刻线(Mask)光刻机总体结构自动对准系统投影物镜系统框架减振系统掩模传输系统调平调焦测量系统照明系统工件台系统掩模台系统硅片传输系统环境控制系统整机控制系统整机软件系统46投影系统二、投影物镜的光学特性摄影物镜的光学特性以放大率、视场、焦距和相对孔径来表示。1.垂轴放大率有银幕的尺寸对图片尺寸之比确定：yy/焦距为：：物像间的共轭距LlLf1)1(2当焦距f’一定时，放大倍率增大，像距l’也大，轴向结构加大。=y’/y≈-l’/f’471'fy'l'y'tgy’-’-y2.视场角’：线视场/yy483.相对孔径2201'41'fDLE投影系统都要求在像面上有足够的亮度，根据接收屏所需亮度和屏的反射比，可确定接收屏所需的照度和入射到光屏的光通量，进而确定辐射灯源。保证屏幕上具有一定光照度，必须加大相对孔径。我们知道，相对孔径加大，像差也加大，为了获得清晰的像，物镜的结构必然要复杂。49二、投影物镜的结构形式投影系统类似与倒置的摄影系统，所以普通摄影物镜倒置使用时均可用作投影系统。宽银幕电影物镜是在普通的摄影物镜和投影物镜前加一个变形镜组成。柱面透镜变形镜一面是平面，一面是柱面，所以子午焦距无限大，弧矢焦距为有限值。