应用光学-第7章-摄影和投影光学系统

第七章摄影和投影光学系统摄影机发展史摄影源于照相。1872年的一天，在美国加利福尼亚州一个酒店里，斯坦福与科恩发生了激烈的争执。英国摄影师爱德华.麦布里奇。1874年，法国的朱尔·让桑，“摄影枪”。朱尔·马雷。1889年，美国的爱迪生。1894年，法国卢米埃尔摄影机，拍电影。1917年，柯达。20年代，德国徕兹公司。70年代，日本公司。现代：数字化，摄影与摄像融合，网络摄影......ref:照相机自动对焦照相机快门速度优先式照相机光圈优先式照相机双优先式照相机程序快门照相机自动曝光照相机自动输片照相机照相机（按自动化程度分）投影皮影戏，灯笼。1640年，英国奇瑟，幻灯机。......1845年，光源革命。1950～年代，美国，CRT投影机。1980～年代，日本，LCD投影机。1990～年代，美国，DLP投影机。2000～，LCOS，泛东亚。3-LCD投影机3-LCD投影机DLP投影机DLP投影机LCoSref:互动式投影机§7.1摄影与投影系统的光学参数摄影系统的光学参数（镜头的光学参数）焦距f'相对孔径D/f'视场角2ω镜头焦距f'焦距：从放映物镜的主点到焦点的距离。它决定被摄物在胶片上成像的大小。牛顿放大率公式（物在有限远时）其中：x为物距，y为物高用不同焦距的镜头对同一距离位置的物体摄影时，焦距长的成像大，焦距小的成像小。yxfyy''ref:镜头分类按焦距的长短，摄影物镜可分为：标准镜头，长焦距镜头和短焦距镜头。标准镜头：其焦距约等于底片画幅对角线的长度。普通标准镜头的视角与人眼的水平清晰视角相当，约50°左右。ref:镜头分类长焦距镜头：放大率较大，视场角小于标准镜头，能远距离摄取景物的较大影像而不易干扰被摄对象。景深小，有利于摄取虚实结合的形象。能使纵深景物的远大近小的比例缩小，使前后景物透视感减小。注意：调焦要格外小心；勿震动，曝光时间应等于或小于焦距值的倒数。ref:镜头分类短焦距镜头：也称广角镜头。景深大，有利于把纵深度大的被摄体都清晰地表现在画面上。视角大，有利于近距离摄取较广阔的景物范围。纵深景物的近大远小收缩比例强烈，透视感增强。像差较大。相对孔径D/f'D入射光瞳口径相对孔径：入瞳直径D与镜头焦距f'的比值(D/f')光圈系数F：相对孔径的倒数（f'/D）决定摄影系统分辨率和像面光照度的重要参数。光学系统分辨率N=1477×(D/f')，单位：lp/mm还与景深等有关。相对孔径D/f'与照度成平方正比k：透光率；L：光源亮度（cd/m2）LfDkE20)'/(25.0'example在晴朗的白天进行外景摄影，要求天空在底片上的曝光量H=0.4lxs，假设曝光时间t为0.01秒，物镜系统的透光率k为85%，问应选多大的光圈数？E=H/t=0.4/0.01=40lx,而由表4.5得L=5000cd/m2，故：（D/f'）2=4E/(πkL)=0.012所以：（D/f'）=0.11，查表7.1，光圈数F选8或11。相对孔径D/f'与景深程非线性关系，通常D/f'越大，景深越小。与焦深程线性反比关系。小结：相对孔径大，利于提高分辨率和照度，但减少景深和焦深。所以，在分辨率和照度够用的时候，尽量减少相对孔径。视场角2ω视场角决定被摄景物的范围。允许的成像范围是由放在像面附近的视场光阑来限定的。在电影摄影机和普通照相机中，视场光阑是片门框，矩形。则有：y'=-f'×tgω其中y'取矩形画幅对角线的一半。补充：f'，D/f',2ω之间存在着相互制约的关系。这主要反映在像差点校正上。当D/f',2ω确定后，像差和f'成正比。长焦物镜只能用于较小的D/f',2ω。大孔径的小视场，大视场的小孔径。投影系统的光学参数放大倍数β相对孔径D/f'视场2y-ωl'-l-y-UD-ω'y'-U'屏幕放大倍率ββ=l'/lif|β|20,thenβ≈-l'/f'ref:物像的共轭距离C：从物平面到像平面的距离称为物镜的共轭距离。P164-ωl'-l-y-UD-ω'y'-U'相对孔径D/f'β=sinU/sinU'if|β|20,then|l|≈f',andthensinU'≈-（D/f'）×（1/2β）代入照度公式有2201)'/(25.0'LfDkE-ωl'-l-y-UD-ω'y'-U'视场2y投影物镜的视场由物体（或屏幕）的大小决定，一般采用线视场来表示。P165由于投影物镜与摄影物镜的工作状态是相反的，所以可以把摄影镜头倒置来作为投影镜头。example1有一台照相机，镜头焦距f'为50mm，画幅尺寸为24×36mm2，取F=4（?），试求：（1）镜头视场角2ω（2）入瞳口径D（3）照相分辨率N总（设底片分辨率N底为80lp/mm）example2某投影仪，物镜离屏幕10m,物面尺寸20mm直径，屏幕尺寸3m×2m，物面亮度500×104cd/m2，光学系统透光率k=50%，要求屏幕光照度达到至少100lx，试求：（1）投影物镜放大率β（2）投影物镜焦距f'（3）投影物镜相对孔径D/f'（4）投影物镜视场角2ω7.2超远摄型系统目标：很远。例如150000m。f'0.5m，例如2m,5m...超远摄型系统实际是一种超长焦距的光学系统。应用：航天遥感，卫星......技术难点：镜筒很长，镜头体积大二级光谱像差大，成像质量差解决方案：正负两光组分离；采用反射镜。超广角型系统视场角大于90度应用场合：航拍，光纤内窥，光电监控......技术难点：后工作距离短（mm级）像面渐晕严重畸变大解决方案：负、正两光组组合（加长工作距离）增加像方远心光路轴外扩束，像差渐晕变透光率滤光片（中间透光率小）球壳型对称结构7.4变焦距系统新闻采访，影片制作，电视转播等场合可连续改变物镜的焦距。要求：在变焦过程中，像面位置保持不变在变焦过程中，相对孔径保持不变各档焦距均具有满足要求的成像质量7.5CCD/CMOS摄像系统在制造上，CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质区别。CCD只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握，工艺较复杂，相对比较贵。事实上经过技术改造，目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经大为减小。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多摄像头生产厂商采用的CMOS感光元件。成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。CCD/CMOS应用举例尺寸光电检测光电图像输入系统（扫描等）CCD电子内窥系统隐蔽针孔观察系统