12照相机镜头的光学特性PPT课件

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2
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E1 E2
t2 t1
k22 k12
结论：相邻的光圈系数所 对应的曝光时间相 差一倍。
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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。
物距一定时，像场角越大，摄取的景物范围越大，但比 例尺小。
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五、镜头的视场角和像场角 物镜按像场角的分类
摄远镜头 标准镜头 广角镜头 特广角镜头 超广角镜头
2<45。 45。 < 2<75 。 75。 < 2<110 。 110。 < 2<133 。 133。 < 2
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六、色差和畸变差
1、色差
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三、相对孔径和光圈系数
像面中心照度公式推导
• 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 。
• 发光强度（I）：表示点光源向各方向辐射的 光分布于一定立体角ω内的光通量F与该立体 角ω之比，即在单位立体角发出的光通量的数 量。I=F/ω
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二、焦距和像比例尺 1、焦距(Focal Length)
相机的镜头是一组透镜，当平行于主光轴的光线穿 过透镜时，会会聚到一点上，这个点叫做焦点，焦 点到透镜中心（即光心）的距离，就称为焦距。光 心（Optical center）：透镜中的一个特殊点，凡 是通过该点的光，其传播方向不变。 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。 照相机镜头的焦距是指像方焦距。
光学变焦原理：通过移动镜头内部镜片来改变焦 点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头 的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。
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变焦镜头
在一定的范围内焦距可变。
变焦倍数 fmax fmin
按照变焦距范围，摄像机镜头可以分为标准镜头、广角镜头 和长焦镜头。
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标准镜头
焦距长度和所摄画幅的对角线长度大致相等的 摄影镜头。其视角一般为45°～50°。如画面 35毫米为40—60毫米焦距的镜头，6*6厘米 的为75—80毫米焦距的镜头。 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。 标准镜头的画面效果与人眼视觉效果十分相似， 它是所有镜头中最基本的一种摄影镜头。
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一、镜头及其基本功能
1、镜头的基本功能 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 在感光介质或CCD上形成清晰的影像。
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一、镜头及其基本功能
2、镜头的组成
摄影机物镜是一个复杂的光学系 统，一般由几个透镜组合而成。 为了分析方便，可把这一系列的 透镜看作一个凸透镜。
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一、镜头及其基本功能
2）相邻的光圈系数所对应的曝光时间相 差一倍。
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四、像面上的照度分布
1、公式推导
p
dθ dcoθs
SPf /coθs
d θS dθ
o
E k 4 B S d P 2k 4 B fd /c c o o 2 s s k 4 B d f 2c4 o s
E Eoco4s
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标准镜头(50-75mm)
由于标准镜头的画面效果与人眼视觉效果十分相似，故用标准镜头拍 摄的画面效果又是十分普通的，甚至可以说是十分“平淡”的， 它很难获得广角镜头或远摄镜头那种渲染画面的戏剧性效果。因 此，要用标准镜头拍出生动的画面来又是相当不容易的，即使是 资深的摄影师也认为用好用活标准镜头并不容易。
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色像差分成两种： 1、轴向色像差(Axial chromatic aberration)纵向色差：指的是光
轴上的位置，因波长不同产生不同颜色有不同焦点的现象。如上 图，红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。 2、倍率色像差(Chromatic difference of magnification)横向色 差：系指像的周围因光线波长的差异，所引起的映像倍率之改变。 这是一种轴外像差，随视场角的增大而增大。 轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色彩产生松散或光斑(flare)； 而倍率色像差别则涉及到成像的大小，在画面周围引起色彩错开， 形成扩散的彩色条纹，如镶边(fringing)现象。 色像差不仅影响彩色胶片上成像的色彩再现，也会减低黑白胶片上成 像的解像力。
2.景深短，能使处于杂乱环境的被摄主体突出。
3.质量上乘的长镜头价格昂贵；长镜头往往又大又笨重19。
长焦（望远）镜头
第三，由于长焦镜头体积大，重量大，握持拍摄时不易稳固。另 外长焦镜头成像倍率大，被摄体移动或相机稍微晃动，影像模糊 程度也相应增大，因此必须采用较高快门速度。不同焦距的长焦 镜头所用快门速度应高于该镜头焦距数值的倒数，这样才能避免 相机晃动所带来的影像模糊，如使用的长焦镜头焦距为200毫米， 则快门速度就必须在1/250秒以上。 第四， 成像质量受大气环境的影响比较大。焦距镜头在使用时， 一般都是用来拍摄较远的景物。由于空气的吸收及漫散射光线的 影响。所以，拍摄的影像反差较小，加之尘粒消光较严重，要达 到十分精确的调焦是不容易的。使用300毫米以上的超远摄镜头 拍摄，还难以将各色光聚于一点，因而产生副光谱问题。基于上 述情况，所以，有时所拍摄的作品的成像质量不高。
照相机镜头及其光学特性
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总体概述
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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、色差与畸变差 七、镜头的加膜 八、景深和超焦点距离 九、镜头分解力
2、镜头的组成
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如图AB是一条平行于主光轴的光线，CD是其折射光线， CD与主光轴的交点F’称为像方主焦点或后主焦点；对应 地，F称为物方焦点。
由物点发射的诸入射光线和经物镜出射的诸成像光线中， 有一对共轭光线，其入射光线与主光轴的夹角和出射光 线与主光轴的夹角恰好相等；此时共轭光线与主光轴的 交点分别为S和S’，称S为物（前）方节点，S’为像（后） 方节点。对于理想物镜而言，物方节点和像方节点分别 与物方主点和像方主点重合。假定物镜的两个主平面重 合，则共轭光线重合为一条直线，此时投射光线和折射 光线为一条直线，称为主光线。
但是，标准镜头所表现的视觉效果有一种自然的亲近感，用标准镜头 拍摄时与被摄物的距离也较适中，所以在诸如普通风景、普通人 像、抓拍等摄影场合使用较多，最常见的纪念照，更是多用标准 镜头来拍摄。另外，摄影者往往容易忽略的是，标准镜头还是一 种成像质量上佳的镜头，它对于被摄体细节的表现非常的有效。 其透视关系与人眼看物体相同，因而应用最广。
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四、像面上的照度分布
2、分布规律
θ° cos4θ
θ° cos4θ
0 5 10 15 20 25 30 1 0.99 0.94 0.87 0.78 0.68 0.56 35 40 45 50 55 60 65 0.45 0.35 0.25 0.17 0.11 0.06 0.03
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四、像面上的照度分布
2
d2
4a2
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三、相对孔径和光圈系数
像面中心照度公式推导
由此可得：
E0
k
B
4
d2 b2
对于照相机来说
b f
E0k4Bdf22 k4Bdf 2
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三、相对孔径和光圈系数
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。
2
物镜的光强 kd度 m f ax
超强光强度镜头 1：2.8以上
强光强度镜头 1：3.5—1：5.8
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长焦（望远）镜头
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长焦（望远）镜头
焦距镜头是指焦距长于标准尺寸的摄影物镜。在电影摄 影中，选取水平视角为23度－24度，相应焦距约为画幅 对角线长度两倍的摄影物镜作为标准镜头。
特点： 1.视角小，拍摄的景物空间范围小，在相同的拍摄距离处， 所拍摄的影像大于标准镜头，适用于拍摄远处景物的细 部和拍摄不易接近的被摄体。如远距离拍摄风光人物、 旅游摄影、在看台拍摄舞台、在动物园拍摄动物， 在科教影片中，运用望远镜头，可在隐蔽的远处摄取野 生动物，避免动物受到惊扰，从而使画面显得自然真实。
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短焦（广角）镜头
广角镜头是一种焦距短于标准镜头、视角大于 标准镜头、焦距长于鱼眼镜头、视角小于鱼眼 镜头的摄影镜广角镜头。
广角镜头的基本特点是，镜头视角大，视野宽阔。从某 一视点观察到的景物范围要比人眼在同一视点所看到的 大得多；景深长，可以表现出相当大的清晰范围；能强 调画面的透视效果，善于夸张前景和表现景物的远近感， 这有利于增强画面的感染力。
3、控制措施及校正方法 (1)设计物镜时，使物镜的有效孔径随光束倾角 的增大而增大。 (2)使用密度从中心向边缘减小的滤光片，即有 目的地增加像场边缘处的曝光量。 (3) 上述两种方法同时采用后，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。
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五、镜头的视场角和像场角
• 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。B=I/S
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三、相对孔径和光圈系数
像面中心照度公式推导
进入镜头的光通量：
S
B a
d S FBS
dBab
影像的光通量：
b
FkF
影像的照度： E 0 F / S kB S / S
由于：
S
1 a2
S 2 b2
d2/a2
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三、相对孔径和光圈系数
2、相对孔径 (Relative Aperture)
定义：镜头的有效孔径d与焦距f的比值， 即d／f。
最大相对孔径，一般标注在物镜框上，1:4.5或F:4.5
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三、相对孔径和光圈系数
3、像面中心照度与相对孔径的关系
像面中心照度
E0
K•4B•
d f
2
K：物镜透光率
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。
普通光强度镜头 1：6.3—1：9
弱光强度镜头
1：9以下
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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。
H Et
E像
K
8
二、焦距和像比例尺
2、影像比例尺
1 l b
mLa
11 1 ab f
1 f
m a f
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二、焦距和像比例尺 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。 在航空摄影中的像关系
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二、焦距和像比例尺 3、镜头按焦距分类
定焦镜头：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/f>1 长焦（望远）镜头 d/f<1
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3、镜头按焦距分类
变焦镜头 ：变焦镜头是在一定范围内可以变换焦 距、从而得到不同宽窄的视场角，不同大小的 影像和不同景物范围的照相机镜头。变焦镜头 在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦 距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。 由于一个变焦镜头可以兼担当起若干个定焦镜 头的作用，外出旅游时不仅减少了携带摄影器 材的数量，也节省了更换镜头的时间。
L
f
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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：
tg (L/2)/f ar(cL/t2gf) 22ar(cL/t2g f)
像幅一定时，像场角大小与物镜焦距成反比。
白光是指由各种波长的光线平均混合在一起光 线，感觉不出色彩，人眼可以感受到的可见光 的波长为400nm(紫色)~700nm(红色)。 光学玻璃的折射率随通过的光波的波长变化而 变，它对短波长的光的折射率比长波长的折射 率更大，当白光通过三棱境时，我们可以观察 到彩虹光谱。由对波长的折射率不同而引起的 彩虹光谱称之为色散现象(Dispersion)。 在摄影镜头中。这种起因于不同波长的像差， 我们称它为色像差(Chromatic aberration)，即 色差。
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三、相对孔径和光圈系数
1.光圈
光圈： 光圈是摄影物镜组中的一个光阑， 通常安装在物镜的两个透镜组之间，其 孔径大小可根据需要改变。
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三、相对孔径和光圈系数 光圈(Aperture)的作用
通过调节镜头的使用面积，从而控制进入镜头 光线的多少，使镜头得到最佳曝光量。 限制镜头边缘部分使用，提高成像清晰度。 调节景深。