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第十六章 摄影及摄影光学系统 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 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 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： 上式同样适用于摄影光学系统的中心视场，对于此有 当物体在无穷远时，β=0,则 当物体在有限远时，由于β0,且通常βz0则 ，于是 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，βz=1，于是 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 对于结构对称的照相镜头(βz=1),有 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 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 在对称式镜头中 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Δ1和后景深Δ2分别为 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 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 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 ,视场角2ω=16度左右 16.2摄影镜头 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 ，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 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 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 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 16.2摄影镜头 2.广角镜头 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 超广角镜头 视场角2ω90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