应用光学第十六章

γ=tanα
或写为

DM ' DN ' DM ' DN ' C 1 lg H M ' lg H N ' C2 lg BM lg BN
③ 宽容度 胶片所能接收的最大和最小曝光量的范围称为胶片的宽容度，显然它应该用特征曲线线性部 分对应的曝光量表示： L=lgHD-lgHC 对一定γ值的胶片的宽容度越大，记录景物明暗的层次越丰富，使用上也越方便
如右图所示，线段OP'即为视差，可表示为
l' b l
视差与物距有关，距离越近视差越大，b=0 时视差为零，即单镜头相机就没有视差。 上述视差可用取景框沿垂轴方向的平移 予以消除
双镜头照相机取景示意图
16.3取景和测距系统
物距变化时，镜头到接收器的距离需要调节，称为调焦 调焦量依据于测出的物距数据，测距方式有目视法和测距法两种 测距系统有两项基本要求： 1）测距精度,测距误差不应超过镜头的景深 2)测距速度，力求快速、方便 引用体视测距的原理，测距误差可由式（14.32）的微分表示为 L2 L b 由于观测系统有角放大的作用，所以测距误差应表示为 L2 L b 若人眼的瞄准精度为Δθmin，则极限测距误差为
H=Et
16.4感光胶片
2.感光胶片特性 ① 感光度 感光度是度量感光材料化学反应灵敏度的指标。在同样曝光量和同样冲洗条件下，胶片的光 密度越大，感光度越高。感光度S 数值计算方式： S=K/H0 对数定义方式：
S 1 K lg 10 H 0
② 反差系数γ 成像画面上各个部位明暗的差别用反差的概念描述。反差用亮度比的对数值表示，即
② 超广角镜头 视场角2ω>90度的镜头称为超广角镜头，由于视场大，照度分布更不均匀。2ω=120度的镜 头，在不考虑渐晕的情况下，边缘视场的照度只有中心视场照度的6.25%，对于大多数接收 器来说，这样的照度差异超出了它的线性接收范围，很难得到理想的摄影效果
16.2摄影镜头
照度分布的均匀性是超广角镜头设计的关键，解决照度不均匀的问题有以下几种方法： 1）像差渐晕的方法 2）对称式超广角镜头 3）用镀膜的方法改善像面的照度分布
16.3取景和测距系统
取景和测距是摄影设备的两项基本功能，取景功能为摄影提供对准的目标以及景物的拍
摄范围，测距功能能为镜头的调焦提供准确的物距
取景的两项基本要求： 1）在取景器中观察到的景物范围与镜头接收器上的成像范围应该一致 2）取景器中观察到的物体力求是正立的像
取景范围与镜头成像范围不一致的误差称为视差，它源于取景器和摄影镜头的非共轴性
2.摄影系统的光谱能量特性
胶片上光化学反应或图像传感器上光电效应的程度与其获取的光能量大小有关，光能量的
大小用像面的照度表示，小视场、大孔径和完善成像系统的光照度公式为：
' nk ' E0 KB n 1
2 sin U'
2
上式同样适用于摄影光学系统的中心视场，对于此有
黑白胶片对各波长光的敏感度称为它的感色性
16.5放映和投影镜头
放映和投影镜头的光学特性除了用视场、孔径、焦距表示外，因工作在有限距离上，需增
设一个倍率参数。根据集合成像关系，倍率β 与镜头的焦距和物距关系是
f '
1
2
L
式中，β 是镜头的放大率，L是物面到成像屏幕间的共轭距 对于测量用的投影镜头来说，追求的是测量精度，其他条件不变的情况下，倍率越大，细 节被分辨的可能性越大，定位、对准和测量的精度越高 放映和投影镜头都是用来放大图片的，设计中首先要考虑照度问题，像面的照度大小和分 布均匀性至关重要。因为是放大镜头，当选用对称或近对称结构时β z=1，于是式（16.7） 演变为
图中片基是感光材料的载体，聚酯片基是胶片片基的主流材料 感光层是胶片的核心，它由悬浮在明胶中的光敏材料颗粒组成，目前，光敏材料以卤族元 素的银盐为主，它的优点是感光度高，记录密度大，对比度、色调还原性和化学稳定性好。 但是银盐胶片图像的工艺制作过程复杂而时间长，限制了它的使用。非银盐材料有光敏重 氮胶片、静电感光材料和光致抗蚀剂三类
③ 长焦距镜头 长焦距镜头是一种特写镜头，适用于远距摄影，与短焦距镜头相比，长焦距镜头成像的比例 大，普通照相机上用的长焦距镜头可达600mm的焦距，高空摄像机的镜头焦距可达几米 ④ 变焦距镜头 变焦镜头在使用过程中，它的焦距可以在一定范围内连续改变，能在拍摄固定目标的情况
下，获得连续地改变画面景象比例的效果
' E0
，于是
KB wenku.baidu.comD
4 f
2
16.1摄影系统的光学特性
特别是像处于对称位置时，β =-1，当镜头采用兑成式结构时，β z=1，于是
E
' 0
KB D
16 f
2
与物体在无穷远时的照度公式相比，物体在有限远时的像面照度减弱了3/4 相对孔径的倒数称为F数或光圈数，摄影光学系统的光照度公式用F数表示为
16.4感光胶片
④ 灰雾度 胶片未经曝光，显影后的胶片也不是完全透明的，它有一定的透过率，从而构成一层灰蒙蒙 的背景，称为灰雾。灰雾的量值用它的光学密度表示，称为灰雾度D0。灰雾的存在降低了画 面的对比度，影响了画面的质量 ⑤ 最大密度 胶片能达到最”黑“的程度称为最大密度，反转点E所代表的光学密度就是胶片的最大密度 ⑥ 分辨率和颗粒度 胶片的分辨率是以每毫米内它能分辨的黑白条纹的数目定义和测试的，颗粒越细，乳剂厚度 越薄，胶片分辨率越高 ⑦ 感色性
② 柯克镜头 柯克镜头由三片薄透镜组成，中间的透镜是负透镜，两边是正透镜，柯克镜头的光学性能指 标比较适中，相对孔径
D 1 1 ~ f' 5 4
,视场角2ω=16度左右
16.2摄影镜头
③ 天赛镜头 改进柯克镜头像质的关键在于减小或校正它的轴外球差。目前采用两种方法 一种是在柯克镜头后面的正透镜上增设一个胶合面，使胶合面上产生负像散，其值远大于其 他像差，轴外球差得以校正，这种结构称为天赛镜头，天赛镜头的光学性能略优于柯克镜头： 相对孔径 f ' 3.5 ~ 2.8 ，视场角2ω=55度 天赛镜头的第二种改进方案是：用透镜分裂的方式代替单透镜，以增大透镜的弯曲半径
镜头几何焦深示意 图
所以，对准距离远，光圈数大，相对孔径小，焦距短，则景深大。
16.2摄影镜头
1.大孔径镜头
① 匹兹万镜头
该镜头是1841年匈牙利数学家匹兹万设计的，它是国内外第一个用像差理论设计的镜头，该 镜头至今还在广泛使用中，匹兹万镜头常用作放映镜头，它有较大的相对孔径，但是视场偏 小，光学参数是D/f'=1/2,2ω=16度左右
镜头适应了大孔径要求后，就要减小视场的原因，解决这个矛盾的方法有三种：
1）选用高折射率、低色散的玻璃作为正透镜的材料，可以使折射面曲率减小，对轴 上点和轴外点的高级球差都有利 2）把正透镜一分为二，这样可使透镜的光焦度分散，折射面曲率减小，且透镜弯曲 的自由度增加，有利于轴上点和轴外点高级球差的校正 3）在前后两个半组之间引入无光焦度的校正板，校正板分担了厚透镜内侧球面的负 担，且使前半部系统远离光阑，对轴外像差，特别像散的校正有利
C1 lg
利用透过光强定义两点的反差
BM BN IM ' IN'
C2 lg
16.4感光胶片
若用I0表示入射光强，显然有
lg
I /I I IM ' I lg M ' 0 lg M ' lg N ' DM ' DN ' IN' I N ' / I0 I0 I0
上式表明胶片的反差等于光密度差 胶片特性曲线直线部分的斜率称为胶片的反差系数，以γ 表示，即
摄影系统的分辨率常用每毫米能区分的线条数表示，即
对人眼最灵敏的555nm波长
实际上，由于渐晕、像差，加之图像接收器本身的分辨率限制，一般达不到上述分辨本领。 胶片相机视场中心的鉴别率可以做到每毫米60线对以上，数码相机视场中心的鉴别率有的可 以做到每毫米120线对以上。
16.1摄影系统的光学特性
应用光学
第十六章 摄影及摄影光学系统
*
马韬
苏州大学现代光学所
matao@suda.edu.cn
苏州市十梓街1号，215006
目录
1 2 摄影系统的光学特性 摄影镜头简介 取景和测距系统
3
4 5 6
感光胶片简介
放映和投影镜头
放映和投影系统的照明
2
16.1摄影系统的光学特性
1.分辨率 根据光学系统的分辨率 像面上的最小分辨距离为
z2 E 2 4 f ' ( z )
' 0
KB 2a
2
当物体在无穷远时，β =0,则
E
' 0
KB 2a
2
4 f 4 f'
KB D
2
z 1 当物体在有限远时，由于β <0,且通常β z>0则 z
L2 L min b
理论上讲，提高测距精度，可以尽量加大基线的长度，但是基线长度b受照相机尺寸的限制
16.4感光胶片
1.概述 感光胶片是摄影仪器中记录和保存影像的器件，它以“潜影”的方式把影像的信息记录下 来，然后再通过显影和定影把影像重现出来 感光胶片分黑白胶片和彩色胶片，由基片、感光层、保护层及辅助层组成，下图是黑白胶 片的结构示意图
D 1 1
④ 松纳镜头 在柯克镜头第一块正透镜后面增加一块不晕透镜，就形成了松纳镜头，松纳镜头只适用于视 场角为2ω=20度~30度的应用场合
16.2摄影镜头
④ 双高斯镜头
双高斯镜头是摄影镜头中常见的一种镜头，其基本结构适用于相对孔径D/f'=1/2，视
场角2ω=40度 双高斯镜头的轴上球差和轴外球差，或者说球差和像散是一对矛盾，这也是双高斯
投影及放映光学系统由于要成放大像，为了保证一定的像面照度，通常要加照明系统。因
16.4感光胶片
彩色胶片的结构比较复杂。感光层分为三层：感蓝、感黄和感红乳剂层。每层乳剂中除了 银盐感光材料外，分别渗入黄、品红和青色的表现色彩效果的成色染料。 胶片的感光是一个化学反应过程，感光层在光的照射下，卤化银中的银离子还原成银原子， 沉积在受光点附近，形成银斑，构成“潜影”。用显影液处理曝光后的胶片，潜影中的银 离子继续还原，银原子的密集度增加，形成可辨认的“黑点”。黑点起阻光作用，设I0和It 分别表示胶片某点上的投射光强和透过光强，该点的阻光率定义为 O=I0/It 胶片的透过率定义为阻光率的倒数 T=1/O=It/I0 光学密度为 D=lgO 曝光量为
16.2摄影镜头
2.广角镜头
① 反远距型镜头
反远距镜头由两个镜组组成，靠近物方的前组为负透镜组，后组为正透镜组，两者相隔一定 的距离，这种结构使像方主面向系统的后面移动，从而得到比焦距更大的后工作距，两镜组 的间隔越大，像方主面向后面移动的距离越大，镜头的后工作距越大 反远距镜头有短焦距、大视场和长的后工作距，而且有像方视场角小于物方视场角的特征
z2 E 4 F 2 ( Z )2 对于结构对称的照相镜头(β z=1),有
' 0
' E0
KB
KB
1 4 F 2 (1 ) 2
定义F(1-β)为镜头的有效光圈，其值定义了拍摄条件下的光度特性
F数通常以
为公比排列成等比级数：2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 32
KB 2a 2 E z 2 4 f '
' 0
2
16.5放映和投影镜头
电影放映屏幕上的亮度标准是：中心是55lx，边缘是40lx 投影镜头屏幕的亮度标准是20~100lx 增大像面照度有两个途径： 1.增大镜头的相对孔径 2.提高照明光源的亮度
16.6投影及放映系统的照明
16.1摄影系统的光学特性
3.几何焦深 保持接收器感觉为清晰像的最大离焦量，即像面相对于镜头在光轴方向上移动的范围，称 为镜头的几何焦深 由右图可直接求得几何焦深2Δ '为 z' 2 ' tan U ' 在对称式镜头中 2' 2 z ' F (1 ) 4.景深 景深指当调焦于某一对象时，前后能成清晰像的空间深度 摄影光学系统的前景深Δ 1和后景深Δ 2分别为