照相机镜头的光学特性.ppt

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(Focusing System)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(Focal Length),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,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,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。,1、相对孔径(Relative Aperture),定义：镜头的有效孔径d与焦距f的比值，即df。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,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,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,进入镜头的光通量：,影像的光通量：,影像的照度：,由于：,三、相对孔径和光圈系数,像面中心照度公式推导,由此可得：,对于照相机来说,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 1：3.51：5.8普通光强度镜头 1：6.31：9弱光强度镜头 1：9以下,三、相对孔径和光圈系数,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。,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,d,d,o,p,S,1、公式推导,四、像面上的照度分布,2、分布规律,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d=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,五、镜头的视场角和像场角,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：,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 245。标准镜头45。275。广角镜头75。2110。特广角镜头 110。2133。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(Field of View-FOV),瞬时视场角(Instantaneous Field of View-IFOV),线阵CCD,光学系统,FOV,IFOV,GW,GR,1、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,六、镜头分辨率,像面上能分辨的最小尺寸为,分辨率为,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,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/2或/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。,n n1 n2,ab,需要解决的问题：如何使a、b的光强相等？如何使a、b的光程差为/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：,有,因为n=1,有,（玻璃的折射率n2=1.5-1.7,则n1）,七、镜头的加膜,2、如何使a、b的光程差为/2,a、b的光程差为,d,a b,nn1n2,要使：,有：,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(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,八、景深和超焦点距离,推导思路：(1)按相似三角形求出b1、b2和b、d、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(hyperfocal distance),(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,4、超焦点距离(hyperfocal distance),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。,4、超焦点距离(hyperfocal distance),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。,P,P1,P2,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,r,r,O,A,f,作业题,教材中相应章节的有关习题。,