照相機(jī)和投影儀設(shè)備概述(共52頁).ppt

1、照相機(jī)和投影儀 照相機(jī)和投影儀廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)城，已成為科研、國防、生產(chǎn)、教育以及文化生活各領(lǐng)域中的重要手段。例如軍事上的高、低空偵察攝影、航空測量攝影、科學(xué)研究中的記錄攝影和高速攝影、生物學(xué)中的顯微攝影、印刷業(yè)中的照相制版、文藝方面的電影電視攝影等儀器都屬照相機(jī)一類;而電影放映機(jī)、幻燈機(jī)、計(jì)量用投影儀等都屬投影儀一類。 本章首先討論照相機(jī)，然后討論投影儀。照相機(jī)通常由照相物鏡、取景器、調(diào)焦系統(tǒng)三局部組成，下面分別進(jìn)行討論。 $10-1 照相物鏡的光學(xué)特性 照相物鏡的作用是把外界景物成像在感光底片上，使底片曝光產(chǎn)生景物象。照相物鏡的光學(xué)特性一般用焦距 、相對孔徑 、視場角 表示。此外

2、還提出分辨率的要求，作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)條件。下面分別進(jìn)行說明。 f/ fD2 一、焦距 根抿光學(xué)系統(tǒng)垂軸放大率公式 對一般照相物鏡來說，物距 通常在lm以上， 因此像平面十分靠近照相物鏡的像方焦平面，即 ，所以有 。由此可見，物鏡焦距的大小，決定了底片上的像和實(shí)際被攝物體之間的比例尺，在物距一定的情況下，欲得到大比例尺的照片，那么必須增大物鏡焦距。例如用于拍攝數(shù)千米甚至上萬米的遠(yuǎn)距離照相機(jī)，為了獲得足夠大的比例尺，必須采用長焦距照相物鏡，其焦距一般為數(shù)百毫米，甚至可達(dá)數(shù)米。 fllyyl10 fl fl lf / 二、相對孔徑 照相物鏡像平面的光照度和相對孔徑的平方成正比，聽以照相物鏡的相

3、對孔徑主要影響 像平面光照度。為了滿足對較暗景物的攝影，或者對高速運(yùn)動(dòng)物體的攝影，都需要采用大相對孔徑的物鏡，以提高像平面上的光照度。根據(jù)相對孔徑大小不同，普通小型照相機(jī)物鏡可分為:弱光照相物鏡 在1:6.3以下、普通物鏡 在1:5.61:3.5、強(qiáng)光物鏡 在1:2.81:1.4、超強(qiáng)光物鏡 在1:11:0.8。 / fD/ fD/ fD/ fD/ fD 三、視場角 照相物鏡的視場角決定了被攝景物的范圍。不同照相機(jī)畫面的尺寸是一定的，例如： 16mm電影攝影機(jī) l0.4*7.5 mm2 35mm 電影使影機(jī) 22*16 mm2 135#照相機(jī) 36*24 mm2 120#照相機(jī) 55*55 m

4、m2 用于航空攝影的照相機(jī)，畫面要大得多，常用的有180*180 mm2、240*240 mm2、360*360 mm2。 照相機(jī)的視場角和畫面尺寸之間的關(guān)系，可由無限遠(yuǎn)物體理想像高公式表示 相機(jī)的幅面一定，即 一定，只要焦距確定，視場角便隨之而定。由上式可看到，當(dāng)相機(jī)幅面一定時(shí)， 越小，那么 越大，因此短焦距鏡頭，也就是大視場鏡頭。根據(jù)視場角的大小，照相物鏡可分為:窄角鏡頭 在40以下、常角鏡頭 =45、廣角鏡頭 =70100、超廣角鏡興 在100以上。 2tgfy2222 f y 四、分辨率 照相物鏡分辨率表示照相物鏡分辨被攝物體細(xì)節(jié)的能力，是衡量照相辨成像質(zhì)量的重 要指標(biāo)之一，通常用像平

5、面上每毫米能分辨開黑白線條的對數(shù)表示，照相物鏡的理想分辨率 N物由公式8-11得 由公式可見，照相物鏡分辨率越小，即相對孔徑越大，分辨率越高。由于實(shí)際照相物鏡存在像差，實(shí)際分辨率比理想分辨率低。mmlpFN/1500物 照相物鏡分辨率的測量方法有兩種，一種是直接用顯微鏡采觀察分辨率板通過照相物鏡 所成的像，稱為目視分辨率；另一種是用顯微鏡來觀察分辨率板通過照相物鏡拍攝的底片，稱為照相分辨率。照相分辨率用N總表示，它由照相物鏡本身的分辨率N物和底片分辨率N底決定，三者之間的關(guān)系可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示 隨著感光材料不同，底片分辨率差異很大，例如普通話21膠片的分辨率約為80lp/mm，而精密制版用

6、的超微粒干版的分辨率可達(dá)10002000lp/mm。 在前面$8-l0曾介紹過，照相物鏡的照相分辨率也可以根據(jù)物鏡的MTF曲線和底片的閾值曲線求得。 底物總NNN111$10-2 照相物鏡的根本類型 照相物鏡的結(jié)構(gòu)型式很多，而月不斷有新的型式出現(xiàn)。選用照相物鏡的原那么應(yīng)該是:既能滿足光學(xué)性能和成像質(zhì)量的要求，而結(jié)構(gòu)又最簡單。為此本節(jié)介紹一些根本類型照相物鏡和它們的復(fù)雜此結(jié)構(gòu)型式，以及它們所能到達(dá)的光學(xué)性能。 一、三片型照相物鏡 圖10-1 圖10-2 圖1a所示的簡單三片型照相物鏡，視場角 =4050，相對孔徑 =1/41/5，是具有中等光學(xué)特性的照相物鏡中結(jié)構(gòu)最簡單、像質(zhì)較好的一種，廣泛應(yīng)用

7、于廉價(jià)的135#和120#相機(jī)中。(b)、(c)、(d)進(jìn)一步復(fù)雜化是為了增大相對孔徑或提高視場邊緣成像質(zhì)量。 圖2(a)稱為天塞照相物鏡，它用一個(gè)膠合面改善成像質(zhì)量，應(yīng)用也很廣泛。(b)中參加兩個(gè)膠合面的結(jié)構(gòu)，可以使像質(zhì)進(jìn)一步提高。2/ fD 二、雙高斯照相物鏡 圖10-3 圖10-4 圖10-5 如圖10-3所示。雙高斯物鏡是具有較大視場大約 =45左右的物鏡，相對孔徑最先到達(dá)1:2，海鷗DF相機(jī)中使用此種物鏡。雙高斯照相物鏡的演變型式很多，它的復(fù)雜化目的是為了改善成像質(zhì)量，如圖10-4所示，或者是為了增大相對孔徑，如圖10-5所示，相對孔徑可達(dá)1:0.95。2 三、托卜崗照相物鏡 圖10

8、-6 圖10-7如圖10-6所示。托卜崗物鏡是一種較早使用的廣角物鏡，視場角可達(dá)90，相對孔徑為1:6.5，主要用于大幅面的航空投影機(jī)上，它的復(fù)雜化目的是為了減小剩余畸變，如圖10-7(a)所示，或增大相對孔徑，如圖10-7(b)所示，相對孔徑可達(dá)1:5.6。2 四、魯沙廣角照相物鏡 圖10-8 圖10-9如圖10-8所示。魯沙廣角物鏡視場角 =120，相對孔徑l:8，主要用于航測相機(jī)。它的復(fù)雜化目的，一是增大相對孔徑，如如圖10-9示，相對孔徑可達(dá)l:5.6，但視場角減小為100；另一目的是更好地校正像差，以獲得更高的成像質(zhì)量。2 五、達(dá)哥照相物鏡 圖10-10 圖10-11 如圖10-10

9、所示。達(dá)哥物鏡是一種視場較大 =60，相對孔徑較小1:8)的物鏡。把中間兩個(gè)膠合面改為別離曲面,可提高光學(xué)性能，視場可達(dá)70，相對孔徑可達(dá)1：4.5，如圖10-112 六、攝遠(yuǎn)照相物鏡 圖10-12 圖10-13 如圖10-12所示。攝遠(yuǎn)物鏡由一個(gè)正的前組和一個(gè)負(fù)的后組構(gòu)成。這種物鏡的特點(diǎn)是透鏡組的長度L可縮短到焦距的三分之二左右。視場 =20，相對孔徑為l:8，多用作相對孔徑小，視場不大的長焦距照相物鏡。為了校正畸變，用兩個(gè)別離薄透鏡代備雙膠合后組，可使視場到達(dá)30。如圖10-13所示。2 七、反攝遠(yuǎn)照相物鏡 圖l0-14 反攝遠(yuǎn)物鏡的根本結(jié)構(gòu)如圖10-14所示。它由一個(gè)負(fù)的前組和一個(gè)正的后

10、組構(gòu)成。這種物鏡的特點(diǎn)是后工作距離 比一般物鏡長得多，視場 =80，相對孔徑為1：2 由于電影和電視攝影機(jī)中，要求物鏡有較長的后工作距離，因此所使用的短焦距物鏡必須采用反攝遠(yuǎn)拋物鏡。另外，目前120#相機(jī)的結(jié)構(gòu)都朝著單鏡頭反光取景器的方向開展，也要求物鏡有較長的后工作距離，因此反攝遠(yuǎn)物鏡應(yīng)用廣泛，演變型式也很多。Fl2 八、等明型照相物鏡 等明型照相物鏡由兩個(gè)遠(yuǎn)離的正透鏡組構(gòu)成，如圖l0-l5所示。視場 =20，相對孔徑為1:2,主要用做電影放映物鏡，這種物鏡的缺點(diǎn)是后工作距離很短，使用受到很大限制。 九、特大相對孔徑照相物鏡 圖10-16如圖10-16所示，這種物鏡的視場不大，大約20左右，

11、主要用于弱光下工作的儀器，例如微光，紅外，熒光成像儀器等。$10-3 變焦距照相物鏡最近十多年以來，變焦距物鏡獲得了較大開展。由干變焦距物鏡能在一定范田內(nèi)迅速改變系統(tǒng)的焦距，得到不同比例的像，因此它在新聞采訪，影片攝制和電視轉(zhuǎn)播等場合，使用特別方便。而且在電影和電視的連續(xù)變焦過程中，隨著物像之間倍率的連續(xù)變化，像面景物的大小連續(xù)改變，可以使觀眾產(chǎn)生一種由近及遠(yuǎn)或由遠(yuǎn)及近的感覺，更是定焦距物鏡難以到達(dá)的。目前變焦距物鏡的應(yīng)用日益廣泛，開始主要用于電影和電視攝影，現(xiàn)在巳逐步擴(kuò)大到135#照相機(jī)和小型電影放映機(jī)上，但仍以電杉和電視攝影為主。 變焦距物鏡的根本原理是利用系統(tǒng)中兩個(gè)或兩個(gè)以上透鏡組的移動(dòng)

12、，改變系統(tǒng)的組合焦距，而同時(shí)保持且后像面位置不變，使系統(tǒng)在變焦過程中獲得連續(xù)清晰的像。變焦距物鏡通常都是按系統(tǒng)中變焦物鏡組。即系統(tǒng)中的可移動(dòng)透鏡組l的個(gè)數(shù)，以及正透鏡組和負(fù)透鏡組的配置位置進(jìn)行分類的。下面分類介紹目前用得較多，效果較好的幾種類型。一、負(fù)-負(fù)型這種類型變焦距物鏡的變焦透鏡組是由兩個(gè)負(fù)透鏡組構(gòu)成的，如圖10-17中打有斜線的透潦組 所示。景物通過前面的固定透鏡組以后簡稱前固定組 。成像于 ，成為變焦透鏡組 的虛物，經(jīng) 以后成像于 ，冉經(jīng)另一變焦透鏡組 成像于 ，最后由后固定組 成像于最后像面F 。 由于變焦透鏡組 、 的移動(dòng)，使 發(fā)生改變，同時(shí)保持像點(diǎn) 位置不變，系統(tǒng)的組合焦距 改

13、變，最后像點(diǎn) 位置不變。圖10-17上部表示焦距 最短時(shí)的變焦透鏡組位置。下部表示長焦距位置。32 、圖10-1711 A222 A33 A42332、3 A fF f二、負(fù)-正型這種類型的變焦透鏡由一個(gè)負(fù)透鏡組和一個(gè)正透鏡組構(gòu)成，如圖10-18聽示。圖的上部為短焦距位置，下半部為長焦距位置。在這類系統(tǒng)中， 均小于 零。景物經(jīng)前固定組和變焦透鏡組以后為實(shí)像，因此系統(tǒng)可以不參加后固定組，不過為了校正像差，或者為了增加或減小系統(tǒng)的相對長度，一般仍要參加適當(dāng)?shù)暮竺娑ńM。這類系統(tǒng)中的兩個(gè)變焦透鏡組都有較大的移動(dòng)量，在變焦過程中 和 都起變倍作用，很難說誰是變倍組，誰是補(bǔ)償組。32和23圖10-18三、

14、正-負(fù)-正型這類變焦系統(tǒng)的變焦透鏡組共有三個(gè)，兩個(gè)正透鏡組和一個(gè)負(fù)透鏡組，它們的位置排列如圖10-19所示。圖的上部為短焦距位置，下部為長焦距位置，這三個(gè)透鏡組可各自分別按一定規(guī)律移動(dòng)，以到達(dá)最大限度的變焦效果，為了簡化透鏡組的運(yùn)動(dòng)規(guī)津，可以把和 固定在一起進(jìn)行移動(dòng)， 那么獨(dú)立移動(dòng)。如果三個(gè)變焦透鏡組的光焦度 分配適宜，當(dāng) 和 固定在一起移動(dòng)時(shí)，保持不動(dòng)，也可以在四個(gè)焦距上到達(dá)像面位置不變，其它焦距的像點(diǎn)位置雖然稍有移動(dòng)，但移動(dòng)量不大，這樣的系統(tǒng)稱為光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)；而把前面所述的那些變焦透鏡組按一定曲線規(guī)律移動(dòng)的系統(tǒng)，稱為機(jī)械補(bǔ)償系統(tǒng)。243234243圖10-19$10-4 取景系統(tǒng)和調(diào)焦系統(tǒng)

15、 一、取景系統(tǒng) 取景系統(tǒng)的作用是用來觀察被攝景物，以便在攝影時(shí)選取適宜的攝影范圍，對取景系統(tǒng)的根本要求當(dāng)然應(yīng)該是:通過取景器觀察到的景物物范圍和實(shí)際拍攝的成像范圍一致，對其成像質(zhì)量要求并不高。下面介紹兒種常用的取景系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式。一牛頓取景器 圖10-20 牛頓取景器由一塊負(fù)透鏡和一個(gè)框架構(gòu)成，如圖10-20所示。被攝物體通過負(fù)透鏡，在其像方焦平面附近成一正立縮小虛像 ，人眼在明視距離上進(jìn)行觀察。這種取景器在老式照相機(jī)上應(yīng)用較多。它的缺點(diǎn)是通過取景器觀察到的景物范圍比實(shí)際成像范圍小得多，取景誤差較大。 y二逆伽里略取景器 圖10-21為克服牛頓取景器觀察物范圍小的缺點(diǎn)，現(xiàn)代小型照相機(jī)中多采用逆

16、伽里略取景器，它由一個(gè)負(fù)透鏡物鏡組和一個(gè)正透鏡目鏡組構(gòu)成，如圖10-21所示。取景器的視放大率一般在0.6-1之間。這種取景器結(jié)構(gòu)比較筒單，取景比較準(zhǔn)確，在一般平視取景照相機(jī)中應(yīng)用很多，缺點(diǎn)是取景邊緣漸暈較大，輪廓不清晰，而且當(dāng)眼晴的位置，瞳孔大小變化時(shí)，取景范圍隨之改變。所以在設(shè)計(jì)這類取景系統(tǒng)時(shí)，視場應(yīng)縮小10%-20%做為平安系數(shù)，以保證平安取景。(三)亮框取景器 如上所述，逆伽里略取景器不能獲得清晰的取景范圍，為克服這一缺點(diǎn)，在逆伽里略取景器中，附加亮框裝置，構(gòu)放亮框取景器，如圖10-22所示。亮框通過亮框透鏡成像，再經(jīng)目鏡放大，透入人眼。取景時(shí)，在視場中看到外界景物的同時(shí)，還看到限制景

17、物成像范圍的亮框，從而使取景系統(tǒng)有一清晰的視場范圍。為了平安取景，亮框所限制的視場范圍應(yīng)等于考慮了平安系數(shù)以后的視場范圍。這種取景器在135#相機(jī)中采用的很多。圖10-22四雙鏡頭反光取景器在雙鏡頭反光照相機(jī)中有結(jié)構(gòu)相同的兩個(gè)鏡頭，如圖10-23所示，上面的是取攝物鏡，下面的是照相物鏡。外界景物通過取景物鏡、平面反射鏡后成像在毛玻璃上，毛玻璃的位置與感光底片位置相當(dāng)?shù)裙獬?，毛玻璃尺寸相?dāng)于拍照畫面尺寸，拍攝范圍可從毛玻璃上直接看出，使用比較方便。但由于毛玻確的散射作用，使像變暗，視場邊緣更暗，為了使視場內(nèi)亮暗比較均勻，通常在毛玻璃上加一塊場鏡，來改變散射光的方向，便更多的光線進(jìn)入觀察者眼睛，當(dāng)

18、視場較大時(shí)，多采用由光學(xué)塑料壓制而成的螺紋透鏡代替單透鏡場鏡。圖10-23上述幾種取景器的光軸與照相物鏡的光軸不相重合，當(dāng)拍攝近距離景物時(shí)，從取景器中觀察到的成像范圍與照相物鏡底片上的實(shí)際成像范圍不一致，我們把二者之間的差異稱作“取景視差。從圖10-24可看到，對于物平面 ，底片上的成像范圍為AB，而取景范圍那么為OD，照相物鏡光軸上的物點(diǎn)O，通過取扶物鏡后，成像在O，而不位在取景系統(tǒng)的視場中央，其偏移量e與物距l(xiāng)、兩光軸之間的距離b基線長有關(guān)。拍攝景物距離越近，偏移量e越大，即取景視差越大;基線長b越大 ，取景視差越大。在實(shí)際照相機(jī)中依靠消視差結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)消除取景視差。當(dāng)然消除取景視差的最根本

19、方法是使取景系統(tǒng)的光軸與照相物鏡的光軸重合，單鏡頭反光照相機(jī)就是這樣一種相機(jī)。圖10-24五單鏡頭反光取景器 在單鏡頭反光相機(jī)中，照相物鏡兼做取景物鏡，如圖10-25所示，取景時(shí)，外界景物通過照相物鏡，平面反射鏡成像在毛玻璃上；拍攝時(shí)，平面反射鏡轉(zhuǎn)出光路，外界景物通過照相物鏡直接成像在感光底片上，毛玻璃位置和底片位置相當(dāng)。單鏡頭反光取景器的最大優(yōu)點(diǎn)是取景和攝影共用一個(gè)物鏡，沒有取景視差，因此取景非常準(zhǔn)確。但在毛玻璃上看到的是鏡像，十分不方便。為了獲得與物相似的像，在取景光路中參加五角屋脊棱鏡，總反射次數(shù)變?yōu)榕紨?shù)，并使光軸折轉(zhuǎn)90，人眼通過目鏡進(jìn)行平視取景，如圖10-26所示。圖10-25圖10

20、-26 二、調(diào)焦系統(tǒng) 在攝影時(shí)，為了使不同距離的被攝景物能在感光底片上清晰成像，應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)照相物鏡和底片之間的距離，使底片和被攝物平面之間滿足共軛關(guān)系，這就是通常所說的調(diào)焦或?qū)?。?shí)現(xiàn)調(diào)焦的系統(tǒng)稱為調(diào)焦系統(tǒng)。下面介紹幾種常用的調(diào)焦系統(tǒng)和調(diào)焦方法。一用毛玻璃調(diào)焦 如圖10-27所示，這種調(diào)焦系統(tǒng)中，毛玻璃兼有取景、調(diào) 焦兩個(gè)作用。調(diào)焦時(shí)，人眼直接或者通過3x-5x目鏡觀察毛玻璃上的像，轉(zhuǎn)動(dòng)照相物鏡框，使照相物鏡沿光軸移動(dòng)，同時(shí)取景物鏡隨之聯(lián)動(dòng)，直到毛玻璃上的像最清晰，便完成了調(diào)焦。120#雙鏡頭反光式照相機(jī)多采用這種方式調(diào)焦。圖10-27二用調(diào)焦光楔調(diào)焦 調(diào)焦光楔又叫裂像棱鏡，它是由楔角完全相等，

21、并呈半賀形的兩個(gè)光楔斜面交叉而構(gòu)成的。調(diào)庶光楔一般做在調(diào)焦毛玻璃的中央部位，并使毛玻璃面PP與光楔斜面交點(diǎn)Q位于同一平面內(nèi)，如圖l0-28所示。它的工作原理如圖10-29 所示。 用這種方法對于有明顯輪廓的物體可到達(dá)準(zhǔn)確調(diào)焦。圖l0-28圖l0-29三用微型棱鏡調(diào)焦 如上所述，用調(diào)焦光楔的方法調(diào)焦，對有明顯輪廓的物體可到達(dá)精確調(diào)焦，那么對于輪廓不明顯的物體怎樣到達(dá)精確調(diào)焦呢?可以用微型棱鏡進(jìn)行調(diào)焦。微型棱鏡由許多微小的三角錐、四角錐或六角錐規(guī)那么排列而成，其工作原理和調(diào)焦光楔相同。將微型棱鏡置于取景毛玻璃中央部位，調(diào)焦正確時(shí)，微型棱鏡部位成像清晰；離焦時(shí)，微型棱鏡將目標(biāo)像上下左右分開，由干每塊

22、棱鏡都很小，因此在整個(gè)微型棱鏡部位，影像呈現(xiàn)模糊。這種調(diào)焦方法準(zhǔn)確，迅速，既不像調(diào)焦光楔那樣要求被攝物體輪廓明顯，又比用毛玻璃調(diào)焦時(shí)看到的像明亮。四用測距、調(diào)焦聯(lián)動(dòng)法調(diào)焦測距，調(diào)焦聯(lián)動(dòng)方法就是用單眼測距器和照相物鏡整組或照相物鏡中的一局部的位移相聯(lián)動(dòng)進(jìn)行調(diào)焦的方法，其原理如圖10-30所示，有限遠(yuǎn)物體A發(fā)出的光線，一路直接透過半反半透平面鏡，進(jìn)入人眼；另一種經(jīng)旋轉(zhuǎn)平面反射鏡和半反半透平面鏡反射，進(jìn)入人眼。由于物體位在有限遠(yuǎn)，存在視差角，因而在視場中出現(xiàn)兩個(gè)分開的像，移動(dòng)照相物鏡，并同時(shí)帶動(dòng)反射鏡旋轉(zhuǎn)，改變光束方向，當(dāng)視場中兩個(gè)分開的像完全重合時(shí)，被攝物體恰好成像在感光底片上，這樣便完成了調(diào)焦。

23、圖10-30$10-5 投影儀的作用及其類別投影儀是將一定大小的物體，用光源照明以后成像在屏幕上進(jìn)行觀察或測量的一種光學(xué)儀器，例如電影放映機(jī)、幻燈機(jī)、印相放大機(jī)，計(jì)置用投影儀等。對干投影儀所成的像，除了要求成像清晰，物像相似而外，還要求像足夠亮，也就是要求有足夠的像面光照度，并且整個(gè)像面光照度盡可能一致，后面這兩個(gè)要求決定了投影系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。投影系統(tǒng)一般由兩局部構(gòu)成，一局部是照明系統(tǒng);另一都分是投影物鏡，照明系統(tǒng)的作用是把光源的光通量盡可能多的聚集到投影物鏡中去，并使被投影物體照明均勻，投影物鏡的作用是把投影物體成像在屏幕上，并保證成像清慚，物像相似。投影系統(tǒng)根據(jù)照明方式不同，可以分成兩大類

24、。一、臨界照明。二、柯勒照明。一、臨界照明照明系統(tǒng)把光源成像在投影物體上，如圖10-31所示。要求光源通過照明系統(tǒng)所成的像大于投影面積。為了保證照明均勻，要求發(fā)光體本身盡可能均勻發(fā)光。這種系統(tǒng)多用于投影物體面積比較小的情形。例如，電影放映機(jī)就是采用這種系統(tǒng)。這類系統(tǒng)中的照明器又有兩種:一種是用反射鏡，如圖10-32所示。光源通常用電弧或短弧氙燈;另一種是用透鏡組，光源通常用強(qiáng)光放映燈泡，如圖10-33所示。為了充分利用光能量，一般在燈泡后放一球面反射鏡。反射鏡的球心和燈絲重合。燈絲經(jīng)球面反射成像在原來的位置上。調(diào)整燈泡的位置，可以使燈絲像正好位于燈絲的間隙之間，如圖10-34所示。這樣可以提高

25、發(fā)光體的平均光亮度，并且易于到達(dá)均勻的照明。圖10-31圖10-32圖10-33圖10-34二、柯勒照明照明系統(tǒng)把光源成像在投影物鏡的入瞳上，如圖10-35所示。這種照明方式多數(shù)用于大面積的投影儀中，例如幻燈機(jī)和放大機(jī)。這種照明方式的優(yōu)點(diǎn)是容易在像平面上獲得均勻的照明。一艘在燈泥鰍后面同樣放一球面反射鏡，以增加光能的利用率。在某些用于計(jì)量的投影儀中，為了防止調(diào)焦不準(zhǔn)而引起的測量誤差，和前面$5-3所講的測置用顯微鏡物鏡相似，投影物鏡采用物方遠(yuǎn)心光路，如圖10-36所示。圖10-35圖10-36$10-6 投影儀中的照明系統(tǒng) 一、聚光照明系統(tǒng)的作用和要求 1提高光源的利用率，使光源發(fā)出的光能盡可

26、能多地進(jìn)入投影物鏡。 2充分發(fā)揮投影物鏡的作用，使照明光束能充滿物鏡的口徑。 3使投影物平面照明均勻，即物平面上各點(diǎn)的照明光束口徑盡可能一致。對照明系統(tǒng)的像差一般要求不嚴(yán)格，因?yàn)樗⒉挥绊懳锲矫娴某上褓|(zhì)量，而只是影響像面的光照度。例如在$10-5中所講的第二類系統(tǒng)中，如果照明系統(tǒng)有較大的球差，當(dāng)某一視場的主光線正好通過投影物鏡光瞳中心時(shí)，其它視場的主光線就不通過光瞳中心，這就可能使投影物鏡產(chǎn)生漸暈，導(dǎo)致像面上光照度不均勻，如圖10-37所示。為了減小球差的影響，一般使投影物鏡的入瞳中心與邊緣視場的主光線和光軸的交點(diǎn)相重合，而不是和發(fā)光體的近軸像面相重合。在第一類系統(tǒng)中，像差將引起光源像的擴(kuò)散，

27、使視場邊緣局部照明不均勻，這樣有效的均勻照明范圍就縮小了，由于發(fā)光體的尺寸一般都不大，即照明系統(tǒng)的視場較小，而照明的孔徑角比較大，即相對孔徑較大，因此對照明系統(tǒng)來說，主要的像差是球差，而對于球差的要求也不嚴(yán)格，不需要完全校正，只要控制到適當(dāng)范圍就可以了。圖10-37二、照明系統(tǒng)的根本結(jié)構(gòu)型式對照明系統(tǒng)中的聚光鏡來說，主要的光學(xué)特性有兩個(gè)，一是孔徑角，一是倍率。聚光鏡的結(jié)構(gòu)型式由光束的最大偏轉(zhuǎn)角U-U決定，表10-1為不同偏轉(zhuǎn)角時(shí)，球面聚光鏡的結(jié)構(gòu)型式。 表10-1從表10-l可看出，偏轉(zhuǎn)角(U-U)越大，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，這是為什么呢？因?yàn)楣馐ㄟ^聚光鏡的偏轉(zhuǎn)，是由透鏡的各個(gè)外表衍射而產(chǎn)生的，在透鏡

28、個(gè)數(shù)一定的情況下，光束的總偏轉(zhuǎn)角越大，每個(gè)折射面分擔(dān)的偏轉(zhuǎn)角越大，這就會(huì)增大光線在透鏡外表的入射角，從而導(dǎo)致兩個(gè)不良后果:第一，光線的入射角增大，球差增加，過大的球差將使投影物鏡產(chǎn)生漸暈，使像面光照度不均勻；第二，光線入射角增加，光線衣透鏡外表的反射損失增加，在第一類系統(tǒng)中使整個(gè)像面光照度下降；在第二類系統(tǒng)中，將引起像面光照度不均勻。所以，在照明系統(tǒng)中一般用限制光線最大入射角的方法，到達(dá)控制系統(tǒng)的球差及保證照明均勻的要求，最好每個(gè)面的像轉(zhuǎn)角不超過10，這樣，就必須隨著總偏轉(zhuǎn)角的增大而增加透鏡的個(gè)數(shù)。為了簡化聚光鏡的結(jié)構(gòu)，并能很好地校正球差，通常將聚光鏡的一個(gè)外表做成非球面，如圖10-38所示。

29、一般采用二次非球面就能使孔徑邊緣光線的球差得到校正。當(dāng)然，在非球面聚光鏡中仍然存在孔徑邊緣光線由于入射角增大而使反射損失增加的缺點(diǎn)。某些要求孔徑角和口徑都很大的照明系統(tǒng)，如果聚光鏡采用一般的球面或非球面的透鏡，它們的體積和質(zhì)量都很大，球差也很大，為此采用環(huán)帶狀的螺紋透鏡，如圖10-39所示，它的每一個(gè)環(huán)帶相當(dāng)干一個(gè)透鏡的邊緣局部，利用改變不同環(huán)帶的球面半徑，到達(dá)校正球差的目的，由于存在暗區(qū)，不適用于第二類照明系統(tǒng)。圖10-38圖10-39$10-7 投影物鏡 一、投影物鏡的作用及光學(xué)持性 投影物鏡的作用是將被光源照明的投影物體成像在屏幕上，保證成像清晰照明系統(tǒng)合理配合，保證屏幕上有足夠的光照度

30、。投影物鏡的光學(xué)特性，通常用視場、相對孔徑，放大率，工作距離表示，下面分別進(jìn)行說明。一視場 投影系統(tǒng)中，成像范圍不用視場角表示，而直接用投影物體的最大尺寸線視場表示。屏幕尺寸是確定的。例如測量用投影儀的屏幕是圓形的，常見的屏幕尺寸有 等，屏幕框?qū)嶋H上就是投影系統(tǒng)的視場光闌，它的大小決定了物鏡的線視場。根播放大率公式 將屏幕尺寸代入 ，便可根據(jù)放大率 求出投影物鏡的最大線視場。 例如一個(gè)100X的投影物鏡，屏幕直徑為1500mm，最大的視線場為mm、15001200800600400yyyy或 ymmy151001500max二相對孔徑投影物鏡的作用是把投影物體成像在屏幕上，屏幕距離和投影物鏡焦

31、距相比，通常都達(dá)數(shù)十倍。因此，可認(rèn)為投影物平面近似位于物鏡的物方焦平面，所以物方孔徑角U為投影物鏡的放大率 為 或?qū)懗蓪?代人上式得將上式代入像面光照度公式6-38得 10-3 稱為投影物鏡的相對孔徑，光照明與相對孔徑平方成正比，因此相對孔徑是投影物鏡的一個(gè)重要光學(xué)性能。從公式10-3還可看出，照度與放大率的平方成正比，當(dāng)放大率增大時(shí)，為了保證屏幕上具有一定光照度，必須加大相對孔徑。我們知道，相對孔徑加大，像差也加大，為了獲得清晰的像，物鏡的結(jié)構(gòu)必然要復(fù)雜。2sinfDU sinsinUUUUsinsin2/sinfDU 12sinfDU 220141fDLE三放大率從上面的討論可知，放大率和

32、投影物鏡的最大線視場以及相對孔徑有關(guān)。除此之外還與測量精度、投影儀的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。根據(jù)放大率公式可知，當(dāng)投影物體尺寸一定時(shí)，放大率越高，在屏幕上的像越大，測置精度那么越高。投影物鏡的物距 ，所以放大率公式為 或?qū)懗捎缮鲜娇傻茫寒?dāng)物鏡焦距一定時(shí)，放大率增加，像距 加大，物像之間共扼距加大，整個(gè)投影儀的結(jié)構(gòu)尺寸加大。因此放大率也是投影物鏡的重要光學(xué)性能之一。一般幻燈機(jī)中物鏡放大率較低，中型和大型投影儀中的投影物鏡有10 x，20 x,50 x,100 x等各種不同放大率，通常都標(biāo)注在鏡筒上。對于測員用投影儀，放大率的準(zhǔn)確性有十分重要的意義，它直接影響測量精度，為此必須嚴(yán)格校正投影物鏡的畸變，通常要

33、求不同視場的相對畸變員不超過0.1%。|fl flfl l四工作距離 投影儀的屏幕距離是確定的，我們把與屏幕共軸的物平面到投影物鏡第一面叫做工作距離。工作距離的大小將直接影響投影儀的使用范圍。因?yàn)橥队拔矬w不僅有圖片，幻燈片，照相底片等，還有具有一定體積的物體。例如齒輪，各種工件等，如果工作距離太小，那么投影儀的使用范圍必將受到限制。 投影物鏡的工作距離與物鏡的放大率、物像之間共軛距有關(guān)。物鏡焦距一定時(shí)，放大率低，工作距離那么長;當(dāng)放大率一定時(shí)，物使共軛距大，工作距離就長。物鏡的工作距離與它的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)，在焦距相同條件下，反攝遠(yuǎn)物鏡具有較長的工作距離。二、投影物鏡的結(jié)構(gòu)型式投影物鏡和照相物鏡的

34、工作狀態(tài)恰好相反，但從視場角、相對孔徑等光學(xué)特性角度來看，二者同屬一類光學(xué)系統(tǒng)。$10-2中曾介紹了各種類型照相物鏡的結(jié)構(gòu)型式以及它們所能到達(dá)的光學(xué)性能，在選用投影物鏡時(shí)可做參考。例如，電影放映物鏡的相對孔徑較大，一般為1：21：1.2，而視場較小，只需校正球差，彗差，軸向色差，因此電影放映物鏡多采用等明型物鏡；當(dāng)視場比較大，成像質(zhì)量要求高時(shí)，除了校正以上三種像差之外，還需校正像散，場曲，這時(shí)通常采用三葉型物鏡、天塞型物鏡，有時(shí)采用雙高斯型物鏡；如果對工作距離有特殊要求，必須采用長工作距離物鏡。長工作距離物鏡是在反攝遠(yuǎn)型物鏡根底上開展起來的，如圖10-40所示，圖a為測量用長工作距離物鏡，相對

35、工作距離 =1.9，這種物鏡結(jié)構(gòu)較簡單，但系統(tǒng)較長，大約是焦距的39倍。圖b為檢查儀上用的長工作距離物鏡，相對工作距離 =1.2,系統(tǒng)長度較小，僅為焦距的14倍。 (a) (b)圖10-40 圖10-41 如果投影物體是不透明的，投影物鏡只能用被光源照明后從投影物體上漫反射出來的光線成像，其光能量僅為透明物體情況下的幾十分之一。為了在屏幕上得到足夠光照度，必須采用大相對孔徑物鏡，如圖10-41所示。$10-8 投影系統(tǒng)中的光能計(jì)算 在進(jìn)行投影系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，為保證像面上有足夠光照度，光能的計(jì)算就占有互要的地位。下面結(jié)合具體例子說明投影系統(tǒng)中光能計(jì)算的方法。 例1 假定一個(gè)351m的電影放映機(jī)，采用電弧作光源，要求屏幕照度為1001x，放映機(jī)離開屏幕的距離為50m，銀幕寬7m，求放映物鏡的焦距和相對孔徑。解：35mm電影機(jī)的片框尺寸為21x16mm，要求放映物鏡的放大率為根據(jù)放大率公式 為物鏡的像方焦點(diǎn)到像點(diǎn)的距離。由于