摄影系统

第十二章摄影系统摄影系统的接收器件有感光胶片、光电变管、电视摄像管和CCD器件等。它和目视系统不同，应根据这些接收器件的光学特性设计其光学系统。§12－1摄影物镜的光学特性摄影物镜的视场大，口径也大，故七种像差均要求较好地校正。其光学特性用焦距、相对孔径和视场表示。焦距决定像的大小，相对孔径决定像面照度，视场决定成像范围。一、视场视场的大小由物镜的焦距和接收器件的尺寸决定。焦距越长，像越大。接收器件尺寸一定的条件下，视场越小。拍摄无限远物体时，相像的大小为（12－1）在拍摄有限距离物体时，像的大小为（12－2）接收器件的框是摄影系统的视场光阑，又为出射窗，它决定成像范围。表12－1列出几种常用摄影底片的规格。ffD/2tgfyyxfyy表12－1常用的面阵CCD器件的规格有，，像元，单个像元尺寸~0.014毫米。当接收器件一定时，物镜焦距越短，视场越大。底片种类长/底片种类长/底片底片电影胶片电影胶片航空摄影底片航空摄影底片135mm35mmmm宽／24361622180180120mm16mmmm宽／60605.74.102302305125121024102420482048013.0二、分辨率物镜的理论分辨率和望远物镜相同。摄影系统的分辨率取决于物镜的分辨率和接收器件的分辨率。理论上讲应和目视光学系统一样，使两者匹配。但一般接收器件的分辨率远低于物镜的理论分辨率。在这种情况下，实际上接收器件的分辨率决定了系统的分辨率。摄影物镜的分辨率习惯上用像面上能分开的每毫米线对数表示。一些文献给出如下经验公式：（12－3）式中为摄影系统分辨率，又称综合分辨率，为物镜理论分辨率，为接收器件的分辨率。若按瑞利判断取rLNNN111fDfNL22.110（12－4）（12－4）m555.0FfDNL/14751475（12－5）式中称为光圈数。三、像面照度摄影系统的像面照度主要取决于相对孔径。由第八章知视场中心照度为（12-7）视场边缘照度为（12-8）可是像面照度是不均匀的，随着视场的增加照度下降。拍摄时应根据外界条件，即根据景物的亮度选择光圈数。一般的照相系统均有可变光阑，供使用者按镜头上的刻度值选择。此刻度值由国家标准按表12－2分档，每改变一档，照度增加或减小一倍。FDfF（12-6）2224)(4sinFLTfDLTULTE4cosEEm表12－2四、摄影物镜的景深和目视系统不同，摄影系统的接收器件不是眼睛。评价摄影系统成像是否清晰，应根据物镜的衍射斑直径是否小于接收器件的像元尺寸（底片的颗粒，CCD的像元直径）来定。由第三章中关于像面附近光强空间分布的论述得知，光强绝大部分集中在长为的圆柱形区域内，圆柱边缘中心光强为零。在理想像面前后范围内，光斑尺寸变化不大，只是中心亮度变化。取此值为像方前后景深(12－9)从而确定物方景深。1∶1.41∶21∶2.81∶41∶5.61∶81∶111∶161∶221.422.845.68111622fD/FUn2sin/4Un2sin/5.1Unl2sin5.1例：一照相机，物镜焦距，对5米处景物拍摄，用国产GB胶卷，求光圈分别为11和2.8时的景深。解：GB胶卷的颗粒直径约为0.012毫米，光圈为11和2.8时，像面上分辨尺寸分别为可见物镜的理论分辨率远高于底片的分辨率。照相机的分辨率主要取决于底片的分辨率。取物距，像距为mmf50o21o21)(0075.0206265111402062651401mmF)(002.02062658.21402mmmmx5000)(5.050005022mmxfx像面处前后景深分别为由牛顿公式得物方前后景深距离分别为①时说明在距相机2.76米至26.76米范围内的物体均能在底片上清晰成像。2222166sin5.1FxFUnx和2222212165.065.0FfxFfxxfx11F)(75.26)(267551100056.065.050)(76.2)(27581100056.065.050222221mmmxmmmx②时可见光圈小时，只能对5米前后很小范围内的物体在底片上得到清晰像。通过上面分析计算可以得出这样的结论：光圈大时，通光口径小，景深大。通光口径小到一定程度，景深很大。比如焦距毫米的相机，通光口径取4毫米，可以对2.5米以外的物体同时清晰成像。傻瓜相机就是根据这一原理设计制造的。这种相机孔径光阑不变，通光口径小，不用调焦和调光圈，靠闪光灯保证像面照度。反之，光圈小，通光口径大，景深小，瞄准面前后景物会模糊。8.2F)(92.41mx)(1.52mx50f§12－2摄影物镜的类型摄影物镜要求校正七种像差。这就给光学设计带来一定的困难。校正垂轴像差的方法是采用对称结构，对于垂轴放大率的光学系统，孔径光阑放在中间，用完全对称结构，垂轴像差：彗差、畸变和倍率色差均得到完全校正。但摄影物镜垂轴放大率不为－1，采用的是准对称结构，使垂轴像差得到部分校正。故一般摄影物镜的孔径光阑放在透镜中间。此外，摄影系统的接收器件不是眼睛，像差允限比目视系统宽，属大像差系统。设计者很少采用法，一般是由镜头库中选取相近镜头，在计算机上缩放、优化。经近百年的实践，人们已总结出多种典型结构，常用的有几下几种。1PW一、匹兹万(Petzvel)物镜这种物镜是1841年由匹兹万设计的。它是世界上第一个用计算方法设计出的镜头，也是1910年以前在照相机上应用最广、孔径最大的镜头。最初的结构型式如图12－1（a）所示。1878年以后，后组改为胶合型式（如图12－1（b）所示）。技术指标：相对孔径；视场。图12－1匹兹万物镜8.1/1/fDo162a)b)F＇F＇二、三片式物镜三片式物镜是同时校正七种像差的最简单结构，它是摄影物镜的基本结构型式。许多的照相物镜是在它的基础上复杂化而成。技术指标：相对孔径；视场。结构型式如图12－2所示。图12－2三片式物镜5.3/1/fDo552F＇三、天塞（Tessan）物镜和海利亚(Helear)物镜天塞物镜的基本结构型式如图12－3所示。技术指标：~1/2.8；视场。海利亚物镜的基本结构型式如图12－4所示。技术指标：视场~。图12－3天塞物镜图12－4海利亚物镜5.3/1/fDo5522/1/fDo402o60FF＇FF＇四、双高斯物镜双高斯物镜又称波兰那（Planar）物镜，它是又一类型的对称型物镜，其结构如图12－5所示。技术指标：~1/1.7；视场~由双高斯物镜复杂化后，可以衍生许多物镜，如图12－6为广角物镜，技术指标：；视场。图12－5双高斯物镜图12－6广角物镜图12－7远摄物镜五、远摄物镜远摄物镜一般在高空摄影中使用。其焦距长，为缩短筒长，使主平面前移，远摄比。技术指标：；视场（如图12－7所示）。2/1/fDo402o508.6/1/fDo122225.1/1/fL2.6/1/fDo302六、变焦距物镜变焦距物镜是焦距在一定范围内改变，而保持像面不动的光学系统。所以变焦光学系统是一种稳像光学系统。变焦范围的两个极限焦距，即长焦距和短焦距之比称为变倍比，简称“倍率”。变焦距方法有两种：光学补偿法和机械补偿法。光学补偿方式是使几个透镜组同方向等速运动，有几个透镜组就有几个像面稳定点，优点是运动方式简单，缺点是不能做到像面始终稳定。机械补偿法由前固定组、后固定组、变倍组和补偿组构成（如图12－8所示）。其中变倍组线性沿光轴方向移动，补偿组非线性沿光轴方向移动。优点是像面始终稳定，缺点是变倍组非线性移动，机械加工困难。随着程控技术的发展，机械补偿法已广泛使用。下面简单介绍机械补偿法的光学原理。前固定组变倍组补偿组后固定组像面设变倍组沿光轴移动量为，补偿组沿光轴移动量为。由动态光学和稳像原理（12－10）式中和分别是变倍组和补偿级在初始位置的垂轴放大率；和分别是移动后变倍组和补偿组的垂轴放大率。经变换得（12－11）1q2q0)1()1(22021101202qq1020120)11(1)11(22021011101qq由于代入（12－11）式，得（12－12）（12－10）式~(12－12)式均为变焦镜头的稳像方程，由它们中的任何一个均可解出和的关系。)()(2202220211011101fxxqfxxq22022021101101)11()11(ff2q1q习题1、一个变焦摄影物镜,变倍比为4，物镜焦距，变倍过程中相对孔径保持不变，长焦时入瞳直径，视场，求短焦时的入瞳直径和视场。2、红外变焦摄影物镜一般采用折反射系统，如采用卡塞林格系统，此时变焦时是否还可以保证相对孔径不变，为什么?)(80~20'mmfommD20o152