照相機鏡頭的光學特性ppt課件

1、照相機鏡頭及其光學特性照相機鏡頭及其光學特性復 習相機的基本組成相機的基本組成:鏡頭鏡頭(Lenses)光圈光圈(Aperture)快門快門(Shutter)取景器取景器(Viewfinder)調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)焦系統(tǒng)(Focusing System)暗盒暗盒復 習普通相機的基本類型普通相機的基本類型120相機相機135相機相機110相機相機一步成像照相機一步成像照相機機背取景照相機機背取景照相機數(shù)碼相機數(shù)碼相機多鏡頭相機多鏡頭相機主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、鏡頭及其基本功能一、鏡頭及其基本功能二、焦距和像比例尺二、焦距和像比例尺三、相對孔徑和光圈系數(shù)三、相對孔徑和光圈系數(shù)四、像面上的照度分布四、像面上的照度

2、分布五、視場角和像場角五、視場角和像場角六、鏡頭分解力六、鏡頭分解力七、景深和超焦點距離七、景深和超焦點距離八、鏡頭的加膜八、鏡頭的加膜九、色差與畸變差九、色差與畸變差 所有鏡頭具備的基本功能都是相同所有鏡頭具備的基本功能都是相同的，讓光線進入照相機并聚焦光線在感的，讓光線進入照相機并聚焦光線在感光介質(zhì)上形成清晰的影像。光介質(zhì)上形成清晰的影像。一、鏡頭及其基本功能一、鏡頭及其基本功能1、鏡頭的基本功能、鏡頭的基本功能2、鏡頭的組成一、鏡頭及其基本功能一、鏡頭及其基本功能2、鏡頭的組成一、鏡頭及其基本功能一、鏡頭及其基本功能1 1、焦距、焦距(Focal Length)(Focal Length

3、)從鏡頭的物方節(jié)點到物方焦點的距離叫做物方焦距。從鏡頭的像方節(jié)點到像方焦點的距離叫做像方焦距。鏡頭的焦距基本上就是從鏡頭的中心點到膠片平面上所形成的清晰影像之間的距離。二、焦距和像比例尺二、焦距和像比例尺二、焦距和像比例尺二、焦距和像比例尺2、影像比例尺、影像比例尺abLlm1fba111fafm13、對影像大小的影響、對影像大小的影響當當a a一定時，即在物距相等的條件下，一定時，即在物距相等的條件下，f f長，比例尺就大；長，比例尺就大；f f短，比例尺就小。短，比例尺就小。為得到比例尺較大的影象，可以采用長焦距鏡頭攝影，為得到比例尺較大的影象，可以采用長焦距鏡頭攝影，如航空攝影，新聞攝影

4、。如航空攝影，新聞攝影。在航空攝影中的像片比例尺為在航空攝影中的像片比例尺為 Hfm1二、焦距和像比例尺二、焦距和像比例尺焦距與影像大小的關(guān)系焦距與影像大小的關(guān)系3、鏡頭按焦距分類、鏡頭按焦距分類按鏡頭的焦距與像幅對角線長度的比值f/d，分為：標準鏡頭 d/f=1短焦廣角鏡頭 d/f1長焦望遠鏡頭 d/f100mm，適用于遠距離攝影。首先，質(zhì)量上乘的長鏡頭價格昂貴；其次，長鏡頭往往又大又笨重 ；第三，鏡頭的焦距越長,照相機就必須把握得越穩(wěn)定 ；第四， 成像質(zhì)量受大氣環(huán)境的影響比較大。 變焦鏡頭 在一定的范圍內(nèi)焦距可變。 minmaxff變焦倍數(shù)1 1、相對孔徑、相對孔徑 (Relative A

5、perture) (Relative Aperture)定義：鏡頭的有效孔徑d與焦距f的比值， 即df。最大相對孔徑三、相對孔徑和光圈系數(shù)三、相對孔徑和光圈系數(shù)結(jié)論：當景物亮度B一定時，像面照度與相對 孔徑的平方成正比。像面中心照度204bdBKE2、像面中心照度與相對孔徑的關(guān)系 三、相對孔徑和光圈系數(shù)三、相對孔徑和光圈系數(shù)204fdBKE像面中心照度公式推導三、相對孔徑和光圈系數(shù)三、相對孔徑和光圈系數(shù) 光通量光通量(F):(F):單位時間內(nèi)通過某一面積的光能稱單位時間內(nèi)通過某一面積的光能稱為通過該面積的光通量。為通過該面積的光通量。 照度照度(E):(E):用來反映物體表面被照明程度的物理用

6、來反映物體表面被照明程度的物理量，實際上是單位面積的光通量：量，實際上是單位面積的光通量：E=F/S E=F/S 。 亮度亮度(B):(B):光源表面沿某個方向上單位面積的發(fā)光源表面沿某個方向上單位面積的發(fā)光強度叫做光源的亮度。光強度叫做光源的亮度。 像面中心照度公式推導三、相對孔徑和光圈系數(shù)三、相對孔徑和光圈系數(shù)SSdBab進入鏡頭的光通量：進入鏡頭的光通量：SBF影像的光通量：影像的光通量：FkF影像的照度：影像的照度：SSBkSFE/0由于：由于：2221baSS22224/2adad三、相對孔徑和光圈系數(shù)三、相對孔徑和光圈系數(shù)像面中心照度公式推導2204 bdBkEfb 由此可得：由此

7、可得：對于照相機來說對于照相機來說222044fdBkfdBkE3、鏡頭的光強度 光強度：表達鏡頭產(chǎn)生光學影像亮度的能力。超強光強度鏡頭 1：2.8以上強光強度鏡頭 1：3.51：5.8普通光強度鏡頭 1：6.31：9弱光強度鏡頭 1：9以下 三、相對孔徑和光圈系數(shù)三、相對孔徑和光圈系數(shù)2maxfdk物鏡的光強度4、光圈系數(shù) 定義：相對孔徑的倒數(shù)為光圈系數(shù)。 國際系統(tǒng)多數(shù)國家與我國采用這種系統(tǒng)：1.0、1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22、32。設(shè)計原則：相鄰二光圈的平方相差一倍。2244dfBKHtfdBKEtEH像結(jié)論：相鄰的光圈系數(shù)所 對應的曝光時間相 差一倍。三、相對孔

8、徑和光圈系數(shù)三、相對孔徑和光圈系數(shù)光圈系數(shù)例：對某一景物攝影時，f/為4，t=1/100秒，可使膠卷得到合適的曝光量，若條件不變，f/調(diào)整為8，此時的曝光時間為多少？結(jié)論：1f/數(shù)值越大，d就越小，進入鏡頭的光 線越少，所需的曝光時間越長。 2相鄰的光圈系數(shù)所對應的曝光時間相 差一倍。四、像面上的照度分布四、像面上的照度分布4cosoEE dd opcosdd Scos/fSP4222cos4cos/cos44fdBkfdBkSPdBkE1、公式推導、公式推導四、像面上的照度分布四、像面上的照度分布2、分布規(guī)律、分布規(guī)律051015202530cos410.99 0.94 0.870.780.

9、68 0.5635404550556065cos40.45 0.35 0.25 0.17 0.11 0.06 0.03四、像面上的照度分布四、像面上的照度分布3、控制措施及校正方法 (1)設(shè)計物鏡時，使物鏡的入射光瞳隨光束傾角的增大而增大，即讓d =d，此時(2)使用密度從中心向邊緣減小的濾光片(3) 上述兩種方法一般可使均勻性達到40%，還要根據(jù)廠家提供的不均勻性數(shù)據(jù)或?qū)崪y參數(shù)進行最后的校正 (4) 對均勻的白板照相可測出像面上每一點的校正參數(shù) (5)數(shù)碼相機的校正cos2opEE 五、鏡頭的視場角和像場角 f fL L 五、鏡頭的視場角和像場角 視場角：鏡頭能在像面上構(gòu)成影像的范圍稱為視場

10、，其視場角：鏡頭能在像面上構(gòu)成影像的范圍稱為視場，其 直徑對鏡頭中心所成的角稱為視場角。直徑對鏡頭中心所成的角稱為視場角。像場角：影像清晰的圓形范圍稱為像場，其直徑對鏡頭像場角：影像清晰的圓形范圍稱為像場，其直徑對鏡頭 中心的張角為像場角。中心的張角為像場角。像幅和像場角的關(guān)系：像幅和像場角的關(guān)系：fLtg/)2/()2/(fLarctg)2/(22fLarctg像幅一定時，像場角大小與物鏡焦距成反比。像幅一定時，像場角大小與物鏡焦距成反比。物距一定時，像場角越大，攝取的景物范圍越大，但比物距一定時，像場角越大，攝取的景物范圍越大，但比例尺小。例尺小。物鏡按像場角的分類物鏡按像場角的分類攝遠鏡

11、頭 245。標準鏡頭45。 275 。廣角鏡頭75。 2110 。特廣角鏡頭 110。 2133 。超廣角鏡頭 133。 2五、鏡頭的視場角和像場角 現(xiàn)代遙感中常用的概念五、鏡頭的視場角和像場角 視場角視場角(Field of View-FOV)瞬時視場角瞬時視場角(Instantaneous Field of View-IFOV)線陣CCD光學系統(tǒng)FOVIFOVGWGR1、定義： 是表征物鏡分辨被攝景物微小細節(jié)的能力，其大小用在焦平面上1毫米寬度內(nèi)能分辨的互相平行的線條數(shù)表示，單位為線對/mm。六、鏡頭分辨率六、鏡頭分辨率2、影響鏡頭分辨率的因素 理想鏡頭(無像差)的角分辨率可由瑞利判據(jù)描述

12、，即DR22. 1六、鏡頭分辨率六、鏡頭分辨率 像面上能分辨的最小尺寸為fdfRR22. 1 分辨率為fdRR22. 111 結(jié)論：相對孔徑和像差是影響實際照相物鏡分辨率的主要因素3、分辯率測試方法六、鏡頭分辨率六、鏡頭分辨率3、分辨率測定方法(1)目視法dR21膠鏡綜RRR111注：綜合分解力永遠小于鏡頭分解力或膠片分解力，并與其中的最小值相接近。 光源光源 測試砧板測試砧板 平行光管平行光管 被測物鏡被測物鏡六、鏡頭分辨率六、鏡頭分辨率(2)攝影法(3)光學傳遞函數(shù)4、影響分解力測試結(jié)果的重要因素覘板的反差測試時光圈系數(shù)的大小感光材料及沖洗條件光照條件六、鏡頭分辨率六、鏡頭分辨率光通過鏡頭

13、時的損失 鏡頭的吸收 鏡頭的反射 鏡頭的加膜：減少反射光光的干涉原理： 如果同一波長的兩條反射光線強度相等，且光程差為/2或/2的奇數(shù)倍，則兩條光線因為干涉而相互抵消。七、鏡頭的加膜a的波峰與b的波谷相遇，振幅相等，方向相反，光強為零。n n1 n2a ab b需要解決的問題：如何使a、b的光強相等？如何使a、b的光程差為/2？七、鏡頭的加膜1 1、如何使光強相等、如何使光強相等 當光線由折射率為當光線由折射率為n1n1的介質(zhì)到達折射率為的介質(zhì)到達折射率為n2n2的介質(zhì)時的介質(zhì)時 要滿足：要滿足：baRR 有因為n=1有（玻璃的折射率（玻璃的折射率n2=1.5-1.7,n2=1.5-1.7,則

14、則n1=1.2-n1=1.2-1.31.3）212212nnnnR21nn 2121212212nnnnnnnn七、鏡頭的加膜2 2、如何使、如何使a a、b b的光程差為的光程差為/2/2a、b的光程差為的光程差為da bnn1n2要使：要使：有：有：12nd 221nd14 nd七、鏡頭的加膜3、加膜后的鏡頭顏色 同一種介質(zhì)對不同波長的色光有不同的折射率，所以加膜鏡頭并不能完全消除各種色光的反射。 通常加膜的厚度和它的折射率是根據(jù)波長位于可見光光譜中段的綠色光(550nm)來確定的，這時可見光譜區(qū)兩端的紅光和紫光還會反射。因而，這樣的加膜鏡頭都帶有紫紅色。 多層膜。七、鏡頭的加膜 當攝取一

15、有限距離的景物時，在景物前后一定距離內(nèi)，其構(gòu)像都是清晰的。此構(gòu)成清晰影像的物方縱深范圍稱為景深，用D.F表示。 八、景深和超焦點距離1、定義 2、景深公式 八、景深和超焦點距離2、景深公式 akfafa22122222212/2.fkafkaaaFD八、景深和超焦點距離akfafa222推導思路：推導思路：(1)按相似三角形求出按相似三角形求出b1、b2和和b、d、的的關(guān)系；關(guān)系；(2)用透鏡公式求出用透鏡公式求出a1和和a2的表達式。的表達式。3、影響景深的主要因素 (1)攝影物距 a 越大，景深越大。八、景深和超焦點距離(2)光圈系數(shù) k越大，景深越大。3、影響景深的主要因素 八、景深和超

16、焦點距離(3)焦距 f越長，景深越小。(4)模糊圓的大小 所允許的越大，景深就越大。 景深標尺3、影響景深的主要因素 八、景深和超焦點距離4、超焦點距離 (hyperfocal distance)(1)定義：當鏡頭對焦在無窮遠時，位于無窮遠處的景物可清晰構(gòu)像；同時離鏡頭不小于某一距離H的所有物體，其構(gòu)像都清晰，這個距離H就稱為超焦點距離。八、景深和超焦點距離(2)計算公式Haa1,kfH24、超焦點距離 (hyperfocal distance)八、景深和超焦點距離(3)超焦點距離的應用在航攝中，利用超焦點距離使地面景物清晰成像。利用超焦點距離，可以得到最大景深。當調(diào)焦至a=H時，得對相機設(shè)計非常重要。固定焦點(不能調(diào)焦)相機利用超焦點距離設(shè)計