應(yīng)用光學(xué)第十六章

1、蘇州大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)所蘇州市十梓街1號(hào)，215006*馬 韜 第十六章 攝影及攝影光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用光學(xué)應(yīng)用光學(xué)2目錄目錄攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性1攝影鏡頭簡(jiǎn)介2取景和測(cè)距系統(tǒng)3感光膠片簡(jiǎn)介4放映和投影系統(tǒng)的照明6放映和投影鏡頭516.116.1攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性1.1.分辨率分辨率 根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的分辨率 像面上的最小分辨距離為 攝影系統(tǒng)的分辨率常用每毫米能區(qū)分的線條數(shù)表示，即 對(duì)人眼最靈敏的555nm波長(zhǎng)實(shí)際上，由于漸暈、像差，加之圖像接收器本身的分辨率限制，一般達(dá)不到上述分辨本領(lǐng)。膠片相機(jī)視場(chǎng)中心的鑒別率可以做到每毫米60線對(duì)以上，數(shù)碼相機(jī)視場(chǎng)中心的鑒別率有的可以做到每毫米120線對(duì)以上

2、。16.116.1攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性2.2.攝影系統(tǒng)的光譜能量特性攝影系統(tǒng)的光譜能量特性 膠片上光化學(xué)反應(yīng)或圖像傳感器上光電效應(yīng)的程度與其獲取的光能量大小有關(guān)，光能量的大小用像面的照度表示，小視場(chǎng)、大孔徑和完善成像系統(tǒng)的光照度公式為： 上式同樣適用于攝影光學(xué)系統(tǒng)的中心視場(chǎng)，對(duì)于此有 當(dāng)物體在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，=0,則 當(dāng)物體在有限遠(yuǎn)時(shí)，由于0則 ，于是sin2210UnnKBEk2220)(24zzfaKBE220424fDKBfaKBE1zz204fDKBE16.116.1攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性 特別是像處于對(duì)稱位置時(shí)，=-1，當(dāng)鏡頭采用兌成式結(jié)構(gòu)時(shí)，z=1，于是 與

3、物體在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)的照度公式相比，物體在有限遠(yuǎn)時(shí)的像面照度減弱了3/4 相對(duì)孔徑的倒數(shù)稱為F數(shù)或光圈數(shù)，攝影光學(xué)系統(tǒng)的光照度公式用F數(shù)表示為 對(duì)于結(jié)構(gòu)對(duì)稱的照相鏡頭(z=1),有 定義F(1-)為鏡頭的有效光圈，其值定義了拍攝條件下的光度特性 F數(shù)通常以 為公比排列成等比級(jí)數(shù)：22.845.68111622322016fDKBE2220)(4ZzFKBE220)1 (14FKBE16.116.1攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性3.3.幾何焦深幾何焦深 保持接收器感覺(jué)為清晰像的最大離焦量，即像面相對(duì)于鏡頭在光軸方向上移動(dòng)的范圍，稱 為鏡頭的幾何焦深 由右圖可直接求得幾何焦深2為 在對(duì)稱式鏡頭中4

4、.4.景深景深 景深指當(dāng)調(diào)焦于某一對(duì)象時(shí)，前后能成清晰像的空間深度 攝影光學(xué)系統(tǒng)的前景深1和后景深2分別為 所以，對(duì)準(zhǔn)距離遠(yuǎn)，光圈數(shù)大，相對(duì)孔徑小，焦距短，則景深大。 tan2Uz)1 (22Fz鏡頭幾何焦深示意圖16.16.2 2攝影攝影鏡頭鏡頭1.1.大孔徑鏡頭大孔徑鏡頭 匹茲萬(wàn)鏡頭匹茲萬(wàn)鏡頭該鏡頭是1841年匈牙利數(shù)學(xué)家匹茲萬(wàn)設(shè)計(jì)的，它是國(guó)內(nèi)外第一個(gè)用像差理論設(shè)計(jì)的鏡頭，該鏡頭至今還在廣泛使用中，匹茲萬(wàn)鏡頭常用作放映鏡頭，它有較大的相對(duì)孔徑，但是視場(chǎng)偏小，光學(xué)參數(shù)是D/f=1/2,2=16度左右 柯克鏡頭柯克鏡頭柯克鏡頭由三片薄透鏡組成，中間的透鏡是負(fù)透鏡，兩邊是正透鏡，柯克鏡頭的光學(xué)性

5、能指標(biāo)比較適中，相對(duì)孔徑 ,視場(chǎng)角2=16度左右4151fD16.216.2攝影鏡頭攝影鏡頭 天賽鏡頭天賽鏡頭改進(jìn)柯克鏡頭像質(zhì)的關(guān)鍵在于減小或校正它的軸外球差。目前采用兩種方法一種是在柯克鏡頭后面的正透鏡上增設(shè)一個(gè)膠合面，使膠合面上產(chǎn)生負(fù)像散，其值遠(yuǎn)大于其他像差，軸外球差得以校正，這種結(jié)構(gòu)稱為天賽鏡頭，天賽鏡頭的光學(xué)性能略優(yōu)于柯克鏡頭：相對(duì)孔徑 ，視場(chǎng)角2=55度天賽鏡頭的第二種改進(jìn)方案是：用透鏡分裂的方式代替單透鏡，以增大透鏡的彎曲半徑 松納鏡頭松納鏡頭在柯克鏡頭第一塊正透鏡后面增加一塊不暈透鏡，就形成了松納鏡頭，松納鏡頭只適用于視場(chǎng)角為2=20度30度的應(yīng)用場(chǎng)合 8 . 215 . 31f

6、D16.216.2攝影鏡頭攝影鏡頭 雙高斯鏡頭雙高斯鏡頭雙高斯鏡頭是攝影鏡頭中常見(jiàn)的一種鏡頭，其基本結(jié)構(gòu)適用于相對(duì)孔徑D/f=1/2，視場(chǎng)角2=40度雙高斯鏡頭的軸上球差和軸外球差，或者說(shuō)球差和像散是一對(duì)矛盾，這也是雙高斯鏡頭適應(yīng)了大孔徑要求后，就要減小視場(chǎng)的原因，解決這個(gè)矛盾的方法有三種：1）選用高折射率、低色散的玻璃作為正透鏡的材料，可以使折射面曲率減小，對(duì)軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)的高級(jí)球差都有利2）把正透鏡一分為二，這樣可使透鏡的光焦度分散，折射面曲率減小，且透鏡彎曲的自由度增加，有利于軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)高級(jí)球差的校正3）在前后兩個(gè)半組之間引入無(wú)光焦度的校正板，校正板分擔(dān)了厚透鏡內(nèi)側(cè)球面的負(fù)擔(dān)，且使前

7、半部系統(tǒng)遠(yuǎn)離光闌，對(duì)軸外像差，特別像散的校正有利16.216.2攝影鏡頭攝影鏡頭2.2.廣角鏡頭廣角鏡頭 反遠(yuǎn)距型鏡頭反遠(yuǎn)距型鏡頭反遠(yuǎn)距鏡頭由兩個(gè)鏡組組成，靠近物方的前組為負(fù)透鏡組，后組為正透鏡組，兩者相隔一定的距離，這種結(jié)構(gòu)使像方主面向系統(tǒng)的后面移動(dòng)，從而得到比焦距更大的后工作距，兩鏡組的間隔越大，像方主面向后面移動(dòng)的距離越大，鏡頭的后工作距越大反遠(yuǎn)距鏡頭有短焦距、大視場(chǎng)和長(zhǎng)的后工作距，而且有像方視場(chǎng)角小于物方視場(chǎng)角的特征 超廣角鏡頭超廣角鏡頭視場(chǎng)角290度的鏡頭稱為超廣角鏡頭，由于視場(chǎng)大，照度分布更不均勻。2=120度的鏡頭，在不考慮漸暈的情況下，邊緣視場(chǎng)的照度只有中心視場(chǎng)照度的6.25%

8、，對(duì)于大多數(shù)接收器來(lái)說(shuō)，這樣的照度差異超出了它的線性接收范圍，很難得到理想的攝影效果16.216.2攝影鏡頭攝影鏡頭照度分布的均勻性是超廣角鏡頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，解決照度不均勻的問(wèn)題有以下幾種方法：1）像差漸暈的方法2）對(duì)稱式超廣角鏡頭3）用鍍膜的方法改善像面的照度分布 長(zhǎng)焦距鏡頭長(zhǎng)焦距鏡頭長(zhǎng)焦距鏡頭是一種特寫鏡頭，適用于遠(yuǎn)距攝影，與短焦距鏡頭相比，長(zhǎng)焦距鏡頭成像的比例大，普通照相機(jī)上用的長(zhǎng)焦距鏡頭可達(dá)600mm的焦距，高空攝像機(jī)的鏡頭焦距可達(dá)幾米 變焦距鏡頭變焦距鏡頭變焦鏡頭在使用過(guò)程中，它的焦距可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變，能在拍攝固定目標(biāo)的情況下，獲得連續(xù)地改變畫面景象比例的效果16.316.3取

9、景和測(cè)距系統(tǒng)取景和測(cè)距系統(tǒng) 取景和測(cè)距是攝影設(shè)備的兩項(xiàng)基本功能，取景功能為攝影提供對(duì)準(zhǔn)的目標(biāo)以及景物的拍攝范圍，測(cè)距功能能為鏡頭的調(diào)焦提供準(zhǔn)確的物距取景的兩項(xiàng)基本要求：取景的兩項(xiàng)基本要求：1）在取景器中觀察到的景物范圍與鏡頭接收器上的成像范圍應(yīng)該一致2）取景器中觀察到的物體力求是正立的像取景范圍與鏡頭成像范圍不一致的誤差稱為視差，它源于取景器和攝影鏡頭的非共軸性如右圖所示，線段OP即為視差，可表示為視差與物距有關(guān)，距離越近視差越大，b=0時(shí)視差為零，即單鏡頭相機(jī)就沒(méi)有視差。上述視差可用取景框沿垂軸方向的平移予以消除bll雙鏡頭照相機(jī)取景示意圖16.316.3取景和測(cè)距系統(tǒng)取景和測(cè)距系統(tǒng) 物距變

10、化時(shí)，鏡頭到接收器的距離需要調(diào)節(jié)，稱為調(diào)焦 調(diào)焦量依據(jù)于測(cè)出的物距數(shù)據(jù)，測(cè)距方式有目視法和測(cè)距法兩種 測(cè)距系統(tǒng)有兩項(xiàng)基本要求： 1）測(cè)距精度,測(cè)距誤差不應(yīng)超過(guò)鏡頭的景深 2)測(cè)距速度，力求快速、方便 引用體視測(cè)距的原理，測(cè)距誤差可由式（14.32）的微分表示為 由于觀測(cè)系統(tǒng)有角放大的作用，所以測(cè)距誤差應(yīng)表示為 若人眼的瞄準(zhǔn)精度為min，則極限測(cè)距誤差為理論上講，提高測(cè)距精度，可以盡量加大基線的長(zhǎng)度，但是基線長(zhǎng)度b受照相機(jī)尺寸的限制bLL2bLL2min2bLL16.416.4感光膠片感光膠片1.1.概述概述 感光膠片是攝影儀器中記錄和保存影像的器件，它以“潛影”的方式把影像的信息記錄下來(lái)，然后

11、再通過(guò)顯影和定影把影像重現(xiàn)出來(lái) 感光膠片分黑白膠片和彩色膠片，由基片、感光層、保護(hù)層及輔助層組成，下圖是黑白膠片的結(jié)構(gòu)示意圖 圖中片基是感光材料的載體，聚酯片基是膠片片基的主流材料 感光層是膠片的核心，它由懸浮在明膠中的光敏材料顆粒組成，目前，光敏材料以鹵族元素的銀鹽為主，它的優(yōu)點(diǎn)是感光度高，記錄密度大，對(duì)比度、色調(diào)還原性和化學(xué)穩(wěn)定性好。但是銀鹽膠片圖像的工藝制作過(guò)程復(fù)雜而時(shí)間長(zhǎng)，限制了它的使用。非銀鹽材料有光敏重氮膠片、靜電感光材料和光致抗蝕劑三類16.416.4感光膠片感光膠片 彩色膠片的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。感光層分為三層：感藍(lán)、感黃和感紅乳劑層。每層乳劑中除了銀鹽感光材料外，分別滲入黃、品紅和

12、青色的表現(xiàn)色彩效果的成色染料。 膠片的感光是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，感光層在光的照射下，鹵化銀中的銀離子還原成銀原子，沉積在受光點(diǎn)附近，形成銀斑，構(gòu)成“潛影”。用顯影液處理曝光后的膠片，潛影中的銀離子繼續(xù)還原，銀原子的密集度增加，形成可辨認(rèn)的“黑點(diǎn)”。黑點(diǎn)起阻光作用，設(shè)I0和It分別表示膠片某點(diǎn)上的投射光強(qiáng)和透過(guò)光強(qiáng)，該點(diǎn)的阻光率定義為 O=I0/It 膠片的透過(guò)率定義為阻光率的倒數(shù) T=1/O=It/I0 光學(xué)密度為 D=lgO 曝光量為 H=Et16.416.4感光膠片感光膠片2.2.感光膠片特性感光膠片特性 感光度感光度感光度是度量感光材料化學(xué)反應(yīng)靈敏度的指標(biāo)。在同樣曝光量和同樣沖洗條件下，膠

13、片的光密度越大，感光度越高。感光度S數(shù)值計(jì)算方式： S=K/H0對(duì)數(shù)定義方式： 反差系數(shù)反差系數(shù)成像畫面上各個(gè)部位明暗的差別用反差的概念描述。反差用亮度比的對(duì)數(shù)值表示，即利用透過(guò)光強(qiáng)定義兩點(diǎn)的反差0lg101HKS NMBBClg12lgNMIIC 16.416.4感光膠片感光膠片若用I0表示入射光強(qiáng)，顯然有上式表明膠片的反差等于光密度差膠片特性曲線直線部分的斜率稱為膠片的反差系數(shù)，以表示，即 =tan或?qū)憺?寬容度寬容度膠片所能接收的最大和最小曝光量的范圍稱為膠片的寬容度，顯然它應(yīng)該用特征曲線線性部分對(duì)應(yīng)的曝光量表示： L=lgHD-lgHC對(duì)一定值的膠片的寬容度越大，記錄景物明暗的層次越豐

14、富，使用上也越方便0000lglg/lglgNMNMNMNMDDIIIIIIIIIINMNMNMNMBBDDCCHHDDlglglglg2116.416.4感光膠片感光膠片 灰霧度灰霧度膠片未經(jīng)曝光，顯影后的膠片也不是完全透明的，它有一定的透過(guò)率，從而構(gòu)成一層灰蒙蒙的背景，稱為灰霧?；异F的量值用它的光學(xué)密度表示，稱為灰霧度D0?；异F的存在降低了畫面的對(duì)比度，影響了畫面的質(zhì)量 最大密度最大密度膠片能達(dá)到最”黑“的程度稱為最大密度，反轉(zhuǎn)點(diǎn)E所代表的光學(xué)密度就是膠片的最大密度 分辨率和顆粒度分辨率和顆粒度膠片的分辨率是以每毫米內(nèi)它能分辨的黑白條紋的數(shù)目定義和測(cè)試的，顆粒越細(xì)，乳劑厚度越薄，膠片分辨率

15、越高 感色性感色性黑白膠片對(duì)各波長(zhǎng)光的敏感度稱為它的感色性16.516.5放映和投影鏡頭放映和投影鏡頭 放映和投影鏡頭的光學(xué)特性除了用視場(chǎng)、孔徑、焦距表示外，因工作在有限距離上，需增 設(shè)一個(gè)倍率參數(shù)。根據(jù)集合成像關(guān)系，倍率與鏡頭的焦距和物距關(guān)系是 式中，是鏡頭的放大率，L是物面到成像屏幕間的共軛距 對(duì)于測(cè)量用的投影鏡頭來(lái)說(shuō)，追求的是測(cè)量精度，其他條件不變的情況下，倍率越大，細(xì) 節(jié)被分辨的可能性越大，定位、對(duì)準(zhǔn)和測(cè)量的精度越高 放映和投影鏡頭都是用來(lái)放大圖片的，設(shè)計(jì)中首先要考慮照度問(wèn)題，像面的照度大小和分布均勻性至關(guān)重要。因?yàn)槭欠糯箸R頭，當(dāng)選用對(duì)稱或近對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)z=1，于是式（16.7）演變?yōu)長(zhǎng)

16、f12222024zfaKBE16.516.5放映和投影鏡頭放映和投影鏡頭 電影放映屏幕上的亮度標(biāo)準(zhǔn)是：中心是55lx，邊緣是40lx 投影鏡頭屏幕的亮度標(biāo)準(zhǔn)是20100lx 增大像面照度有兩個(gè)途徑： 1.增大鏡頭的相對(duì)孔徑 2.提高照明光源的亮度16.616.6投影及放映系統(tǒng)的照明投影及放映系統(tǒng)的照明投影及放映光學(xué)系統(tǒng)由于要成放大像，為了保證一定的像面照度，通常要加照明系統(tǒng)。因 此，其光學(xué)系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)兩部分 照明系統(tǒng)的類型有透射光照明和反射光照明，前者包括電影放映機(jī)、放大機(jī)及一些透射照明投影系統(tǒng)，后者有反射投影儀、某些液晶投影系統(tǒng)等為了使被放映的物面得到均勻的照明，投影或放映系統(tǒng)和照明系統(tǒng)應(yīng)滿足一定的位置關(guān)系或光瞳匹配關(guān)系，設(shè)物面上亮度B1,放映系統(tǒng)透過(guò)率K，屏幕上照度隨視場(chǎng)角變化 放映物鏡通常成放大像，U很小，所以 ，于是 其中 為成像光束在出瞳上所截面積，考慮到通常很小，要使像面照度均勻，必 須使各視場(chǎng)的S相同cossincos4140UKBEE2sinlDU cos41lSKBE 241DS16.16.6 6投影及放映光學(xué)系統(tǒng)投影及放映光學(xué)系統(tǒng) 任意安置時(shí)：光源C1A1B1成像于C1A1B1，所有光通量均在陰影之內(nèi)。 圖片為A2B2C2，