第二章 摄影光学基础知识

第二章摄影光学基础知识教学目标：了解光和色的本质以及人眼的视觉特性教学内容（4学时）第一节光、色与视觉特性第二节几何光学基础知识第三节光度学和色度学的基础知识重点：色温、色别、亮度、饱和度、三基色原理难点：像差、光通量、照度、第二章摄影光学基础知识第一节光、色与视觉特性一光和色的本质二光源和色温三人眼和视觉功能第二节几何光学基础知识一光线传播的基本规律二透镜的成像三光栏和像差第三节光度学和色度学的基础知识一光度学中常用术语和度量单位二照相机像平面的光度照明三彩色的混合返回第一节光、色与视觉特性一光和色的本质1、光是一种电磁波，具有波动性和微粒性。其波动性表现在光波有一定的波长，具有衍射和干涉现象。衍射现象对光学仪器所成像的分辨率和明晰度有影响。光的干涉作用可以被利用来检验光学玻璃表面的质量，如滤光镜是否平滑光洁；或用来降低透镜等玻璃表面的反射。首页下页光在同一均匀媒质里传播．本来是沿直线方向进行的，如果在传播的途径中遇到狭缝、小孔或障碍物时，只要它们的大小不比光的波长大很多，就会观察到明显的光线偏离直线路程的情形，绕到狭缝和小孔的外面或障碍物的后面去，产生光的“绕弯”传播。这种现象就叫做光的衍射，或称作光的绕射。光波是横波，因而还具有偏振现象。一些物体的反射光，往往都是偏振光，例如玻璃、水面的反射眩光。摄影利用光的偏振现象，可以减除某些物面的反光．使景物的影像真切清晰；或苦可以限制光的强度，使天空变暗。第一节光、色与视觉特性7.96.95.95.25.04.83.85（*108MHz)紫外线红外线380430510580600630780(nm)图1光波与颜色的关系返回色是光的一种与人的视觉特性有关的属性，不同波长的给人眼以不同的颜色感觉光（图1）2、色源的分类：本身发光的物体和本身不发光的物体。物体的色彩决定于物体选择性地吸收和反射某些光谱成分的特性，也决定于照射物体的光线的光谱成分人眼的色彩感觉是主观（人眼的视觉功能）和客观（物体属性与照明条件）相结合的综合结果。3、对于透光物体，有选择地让光谱中的某些成分通过，吸收其余光谱成分。滤光镜、滤色片就是根据这个原理，达到阻光、分色较色等效果。第一节光、色与视觉特性二光源和色温色温:当绝对黑体在某一特定温度下，其辐射的光与某一光源的光具有相同特性，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温色温用绝对温度单位K（开尔文）表示。（绝对黑体是指既不反射也不透射而完全吸收入射光。常用自然光和常用人工摄影光源的色温概数（图2）三人眼的视觉功能1视见函数：人眼对不同波长可见光的不同敏感程度视见函数曲线（图3）首页下页上页第一节光、色与视觉特性各种光源的色温概数光源色温（k）光源色温（k）蓝天空薄云蓝天空云雾弥漫天空白天平均照明光中午日光下午四时半日光日出二时日光日出时日光19000—25000130007500—84006400—69005400470044001850电子闪光灯水银灯日光荧光灯白光荧光灯摄影卤光灯新闻碘钨灯普通白炽灯蜡烛光5300—60005700700048003000—340032002650—29801850图2常用自然光和常用人工摄影光源的色温概数返回第一节光、色与视觉特性1.00.80.60.40.2400500600700图3视见函数曲线V返回实线为明视视觉，在白昼条件下，人眼对黄绿光最灵敏；虚线为暗视视觉，在暗视条件下人眼对蓝绿色最敏感第一节光、色与视觉特性2人眼的亮度感觉人眼在观察景物时得到的亮暗感觉和可觉察的亮暗差别，并不直接由景物的绝对亮度和真实亮度差别所决定。3人眼的彩色视觉：是人眼的一种明视觉功能，彩色光对人眼起的作用可用色别、亮度、（亦称明度）和饱和度。它们北称为色彩三要素。色别：彩色光颜色的类别亮度：是光作用与人眼时引起的明亮程度饱和度：指彩色光所呈现颜色的深浅程度（浓度）首页下页上页4人眼的分辨力：人眼分辨景物细节能力有一个极限值，这种分辨细节的能力称为人眼的分辨力或视觉锐度人眼的分辨率与照明强度、景物相对对比度也有密切的关系，物体速度快人眼的分辨率也要降低人眼对色彩的分辨率比亮度的分辨率低通过以上的介绍，要注意人眼和的直观与摄影的视觉的差异立体和平面的视觉转换色彩的视觉转换过程与瞬间的转换第二节几何光学基础知识一光线传播的基本规律1光的直线传播和独立传播光的直线传播定律：光在均匀介质中是沿直线传播的光的独立传播定律：来自不同方向的光线在介质中相遇时，彼此互不影响，各自保持原来的传播方向继续传播。（1）光线的直线传播可以确定物体的空间位置首页下页上页（2）针孔成像（3）本影和半影当一个点光源照射在物体上时，物体只有本影，没有半影，且固光源分布的区域比物体小，物体的本影是发散的；当两个或两个以上的点光源照射在物体上时，物体除了有本影，还有半影，且因光源分布的区域比物体大，物体的本影是收敛的。如果在光源与被照射物体之间的距离相等的情况下，光源分布区域越大，本影就越小。所以一般室内摄影，我们也可以应用面积较大或较分散的光源来照明，以减少物体所产生的阴影。2、光的反射和漫反射不同表面结构的物体其反射光的情况不同，给人的视觉效果不同。比如光滑和粗糙的表面。3、光的色散第二节几何光学基础知识白光图4棱镜色散返回棱镜色散：当一束白光射到棱镜面上，通过棱镜的两次折射，白光就被分解成一条按红、橙、黄、青。绿、蓝、紫排列的彩色光带。（图4）3.全反射：若入射角大于临界角，入射光能量按反射定律全部返回光密介质，这种现象称为全内反射或全反射4、光电效应根据光的量子理论，当光照射在能放射电子的金属表面上时，因失去负电荷而产生电流，故称这种现象为光电效应。例如硒、铯和其他碱金届等物质，由于它们对光有高度的敏感性，见光后即逸出电子，能使光能转换为电能。在摄影感光上用的光电测光表，就是对光电池产生光电效应的应用。当光电池接受入射光后，即产生微弱的电流，由导线输入线圈，这时磁场中固有电流通入，使促使金属指针偏转，从而指示出代表光强度的光值数字。第二节几何光学基础知识二透镜的成像1薄透镜的物像关系首页下页上页''yy'fxxfffxx1lflf高斯公式：牛顿公式：牛顿放大率公式：薄透镜成像（图5、图6）第二节几何光学基础知识图6凸透镜成像llxxffFFo图5凹透镜成像lxlxFFoff返回第二节几何光学基础知识2理想共轴透镜成像我们把整个系统看作是一个整体。三光栏与相差1光学系统的光栏孔径光栏、视场光栏2像差：在有一定大小下的通光孔径和市场角，成像光束由不同波长的光混合而成的复合光情况下，光学系统所成的像与理想之间会存在偏差，这种叫像差。分类：一类是单色光成像时的像差，有球差、慧差、像散、场曲、畸变五种。另一类多色光成像时，由于介质折射率随波长变化所引起的像差，称色差，有位置色差、倍率色差首页下页上页第三节光度学和色度学基础知识一、光度学中常用术语和度量单位光通量F：由光源发光并通过一定距离所达到物面的总光亮。光通量F由辐射功率通量，相对视见函数决定发光强度I：点光源在单位立体角元内发出的光通量称为在该方向的发光强度,用I表示。（图7）eVddFddFIVFe首页下页上页第三节光度学和色度学基础知识ddF图7发光强度定义示意图返回第三节光度学和色度学基础知识亮度B：用来表示发光面或被光源照明的物体反光面，在人眼观察方向呈现的明亮程度。它等于发光面在指定方向的发光强度与发光面在垂直于指定方向的平面上的投影（表面积）之比。（图8）照度E：表示受照射面被照明的程度，它等于单位面积上接收到的光通量。（图9）cosdSdIB2cosrIEdSdFE首页下页上页第三节光度学和色度学基础知识ndIdIdScosdS图8亮度定义示意图dSr法线A图9点光源产生的照度返回公式表明，被照射表面的强度与光源的光强成正比，与照射角度的余弦成正比，与光源至该表面的距离ｒ成反比。例如：太阳光、人工布光第三节光度学和色度学基础知识二照相机像平面的光照度1、通过光学系统的光通量2、像的亮度3、像的平面照度三彩色的混合1、三基色原理（图）加色效应：几个色光混在一起得到新的色光减色效应：从白光中减去几种色光而得到余下的光首页上页24πfDBE加色法减色法相近色：色环中相邻的三种颜色。如图2中的黄绿色，黄色和桔黄色。相近色的搭配给人的视觉效果很舒适，很自然。相近色互补色互补色:色环中相对的两种色彩。亮绿色跟紫色，另外如红色跟绿色，蓝色和橙色等。暖色:黄色，橙色，红色，紫色等都属于暖色系列。色跟黑色调和可以达到很好的效果。暖色冷色:绿色，蓝色，蓝紫色等等都属于冷色系列。冷色一般跟白色调和可以达到一种很好的效果。主要表达严肃，稳重等效果。冷色