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场曲和彗差都与视场大小有关,视场越大则越严 重,所以现代望远镜不是很追求广角设计。在视场 较小的天文望远镜中,场曲和彗差就要轻微得多。
场曲和彗差虽然表现一致,但是还是很好分辨的, 把一个星点放入视场,调节成点状,再移动到视场 边缘,这个星点就会散开,调节焦距,如果还可以 调成一个点,说明只有场曲,如果怎么调也无法调 节成点状,说明有彗差作用。
正常眼睛调节所能看到的最短距离(近点)是100 毫米,调节所能看到的最远距离(远点)是无穷远。
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人眼的视网膜上有两种光感受器:视杆细胞和视 锥细胞。
视杆细胞的非常灵敏,在很暗的光照下还能工作, 但不能区别颜色,在较暗的环境亮度下主要是视杆 细胞的活动,称暗视觉;
视锥细胞不够灵敏,只有在较强的光照下才能工 作,能区别颜色。在明亮的环境中主要是视锥细胞 的活动,称明视觉;
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双胶合镜的消色
差作用对于焦距较 长 (如300mm以上) 的镜头效果会不理 想,因为镜头焦距 愈长,由色散而引 起的色差也就愈严 重。
对于长焦镜头, 更常用的办法是采 用特殊色散或超低 色散玻璃来制作光 学元件。
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球差、像散、慧差、场曲和畸变
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球差
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由主轴上某一物点向光学系统发出的单色平行光 束,经该光学系列折射后,若原光束不同孔径角的 各光线,不能交于主轴上的同一位置,以至在主轴 上的理想像平面处,形成一弥散光斑(俗称模糊 圈),则此光学系统的成像误差称为球差。
(1)、镜头光圈: 光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大;
(2)、镜头焦距 镜头焦距越长,景深越小;焦距越短,景深
越大;
(3)、拍摄距离 距离越远,景深越大;距离越近,景深越小。
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光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大; 精选
景深的实际拍摄照片 ---------- 只改变镜头光圈和快门速度
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与光轴平行的光线射入凸透镜时,理想的镜头 应该是所有的光线聚集在一点后,再以锥状的扩 散开来,这个聚集所有光线的一点,就叫做焦点。
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在焦点前后,光线开始聚集和扩散,点的影象 变成模糊的,形成一个扩大的圆,这个圆就叫做 弥散圆。
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人的肉眼所感受到的影像与放大倍率、投影距 离及观看距离有很大的关系,如果弥散圆的直径 小于人眼的鉴别能力,在一定范围内实际影像产 生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆 就称为容许弥散圆。
以持照相机拍摄者为基准,从焦点到近处容许 弥散圆的的距离叫前景深,从焦点到远方容许弥 散圆的距离叫后景深。
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景深的计算公式:
f——镜头焦距
F ——镜头的拍摄光圈值
从公式(1)和(2)可以看出,后景深 > 前景深。
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景深的经验公式:
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景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以 及容许弥散圆的大小有关。这些主要因素对景深 的影响如下(假定其他的条件都不改变):
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3、复合非球面镜片:在研磨成球面的玻璃镜片表 面上覆盖一层特殊的光学树脂,然后将光学树脂部 分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两 种工艺之间。
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像散
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由位于主轴外的某一轴外物点,向光学系统发出 的斜射单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,不 能结成一个清晰像点,而只能结成一弥散光斑,则 此光学系统的成像误差称为像散。
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红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。
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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;
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 边现象。
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消除色差的常用办法之一是采 用不同色散材料的光学元件来组 成镜头,用其中的一种光学元件 的正色散来抵消另一种光学元件 所产生的负色差。例如我们公司 望远镜的消色差镜,利用折射率 较低的PMMA做凸透镜,利用折 射率较高的PC做凹透镜,然后将 两者配合在一起使用。
n2/n1 = v1/v2 一种介质的绝对折射率为
n = c/v 式中c是真空中光的速度,v为该介质中光的 速度。
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光学元件和透镜成像规律
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■正透镜(凸透镜)
镜片中心比边缘厚,起聚光作用。
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■负透镜(凹透镜)
镜片中心比边缘薄,起发散作用。
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■反光镜
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■透镜成像规律
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焦点、弥散圆和景深
35mm 照 相 镜 头 的 容 许 弥 散 圆 , 大 约 是 底 片 对 角 线 长 度 的 1/1000~1/1500 左 右 。 前 提 是 画 面 放 大为5x7英寸的照片,观察距离为25~30cm。
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在焦点前后各有一个容许弥散圆,这两个弥散 圆之间的距离就叫景深,即:在被摄主体(对焦 点)前后,其影像仍然有一段清晰范围的,就是 景深。换言之,被摄体的前后纵深,呈现在底片 面的影象模糊度,都在容许弥散圆的限定范围内。
基本光学知识
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内 容:
1、光的三大定律 2、光学元件和透镜成像规律 3、焦点、弥散圆和景深 4、色散现象和色像差 5、球差、像散、慧差、场曲和畸变 6、人的眼睛
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光的三大定律 ——
直线传播定律、反射定律和折射 定律
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■光的直线传播定律
光在均匀介质中沿直线传播。
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■光的反射定律
反射角等于入射角,i = i‘。
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双胶合镜中间波长焦距较短、长波和短 波光线焦距较长。
通过合理的选择镜片球面曲率、双胶合 镜的材料,可以使蓝光、红光焦距恰好相 等,这就基本消除了色差。
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只对两种有色光校正色差的,称为稳定 的消色差镜头;
若对三种有色光同时校正色差的称为复 消色差镜头;
而对四种有色光校正色差的则称为超消 色差镜头。
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像散现象由两个互相垂直截面的光线构成,与主 轴光线无关。像散现象发生在像平面周边部分,如 物体有成直角交叉的横线和竖线,在像平面周边成 像时,横线和竖线不能同时会聚成清晰的像,竖线 清晰时,横线必模糊;横线清晰时,竖线必模糊。
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慧差
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由位于主轴外的某一轴外物点,向光学系统发出 的单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,若在理 想像平面处不能结成清晰点,而是结成拖着明亮尾 巴的慧星形光斑,则此光学系统的成像误差称为慧 差。
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在光学镜头中,这种起因于不同波长的光造 成的像差,我们称为色像差。
色像差分成轴向色像差和倍率色像差两种。
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轴向色像差: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。由于不同 色光焦距不同,物点不能很好的聚焦成一个完美 的像点,所以成像模糊。
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倍率色像差:指由于不同色光焦距不同,所 以放大率不同,引起的映像倍率改变,画面边缘 部分明暗交界处会有彩虹的边缘。
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光圈f/2.8 曝精选光时间1/125 s
光圈f/5.6 精曝选光时间1/30 s
光圈f/11 精曝选光时间1/8 s
光圈f/22 精曝选光时间1/2 s
色散现象和色像差
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白光中人眼可以感受到的可见光的波长为 400nm(紫色)~700nm( 红色)。当白光通过三棱境 时,我们可以观察到彩虹光谱。不同波长的光的 折射率不同而引起的彩虹光谱称之为色散现象。
பைடு நூலகம்精选
对于理想的反射面而言,镜面表面亮度取决 于视点,观察角度不同,表面亮度也不同;
一个理想的漫射面将入射光线在各个方向做 均匀反射,其亮度与视点无关,是个常量。
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■光的折射定律
n1 sin i = n2 sin r
n1和n2分别表示两种介 质的折射率;
i为入射角,r为折射角。
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折射率为光在两种介质种的传播速度之比, 即
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当平行的光线由镜面的边缘(远轴光线)通过时, 它的焦点位置比较靠近镜片;而由镜片的中央通过 的光线(近轴光线),它的焦点位置则比较远离镜片 (这种沿着光轴的焦点错间开的量,称为纵向球面像 差)。
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由于球面像差的缘故,就会在通过镜头中心部分 的近轴光线所结成的影像周围,形成由通过镜头边 缘部分的光线所产生的光斑(光晕),使人感到所形 成的影象变成模糊不清,画面整体好象蒙上一层纱 似的,变成缺少鲜锐度的灰蒙蒙的影像。这个光斑 的半径称为横向球面像差。
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场曲
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垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰 影像,若不在一垂直于主轴的像平面内,而在一以 主轴为对称的弯曲表面上,即最佳像面为一曲面, 则此光学系统的成像误差称为场曲。
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场曲在望远镜中表现比较明显,但是害处较小, 我们使用望远镜很明显可以看到边缘成像不如中心, 这种边缘模糊就主要是场曲和彗差的综合作用,其 中场曲是主要的。
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畸变
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被摄物平面内的主轴外直线,经光学系统成像后 变为曲线,则此光学系统的成像误差称为畸变。
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畸变像差只影响影像的几何形状,而不影响影 像的清晰度。这是畸变与球差、慧差、像散、场曲 之间的根本区别。
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对于望远镜来说,色差、球差和像散是最有害的 像差,应该得到有效控制,而场曲、畸变和彗差是 较为无害的,不影响中心清晰度,所以一般放在次 要位置。
即使是高级的望远镜,场曲、畸变和彗差有的也 非常明显。
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人的眼睛
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眼睛的聚焦能力主要来自角膜,但为了对不同距 离的物体聚焦,眼睛靠改变晶状体的前表面的曲率 来实现的。
当眼的调节放松时,如果物体成像落在视网膜上 的话,便为正视眼;如果物体成像落在视网膜之后 的称为远视眼,相反落在视网膜之前的称为近视眼。
在中等亮度范围,两种感光细胞均参与视觉称间 视觉。
正常眼睛的明视距离是250毫米。
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视觉系统的空间分辨能力常用视敏度来表示,其 定义为眼能够分辨的最小细节所对应的视角(以分为 单位)的倒数。
正常人眼的视敏度约对应视角1‘~30“。 物体两端对眼睛光心所张的角(即视角)不能小 于1‘角度,否则人眼无法分辨该物体。
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球面像差在镜头光圈全开或者接近全开的时候 表现最为明显,口径愈大的镜头,这种倾向愈明显。
在镜头使用上,通过缩小光圈可适当消除球面像 差。
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球差的产生是因为理想的折射镜面不是球面,但 是为了加工方便一般都是用球面来近似,所以引起 球差。解决的方法是采用非球面技术。
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目前主要有三种制造非球面镜片的方法: 1、研磨非球面镜片:在整块玻璃上直接研磨,这 种制造工艺成本相对较高; 2、模压非球面镜片:采用金属铸模技术将融化的 光学玻璃/光学树脂直接压制而成,这种制造工艺 成本相对较低;
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