第20课[典型光学系统-摄影系统]

• 焦距越长，入瞳直径越大， 景深越小； • 拍摄距离越大，景深越大； • 光圈数(F数)越大，景深越大。 (光圈越小，景深越大)
镜 头
快门速度（Shutter Speed） 快门是控制曝光时间长短的装置(机械或电子)。一般 从 1/8000秒到30秒之间不等。
光圈快门及其相互关系 光圈是相机镜头中的可以改变中间孔的大小的 机械装置，快门是控制曝光时间长短的装置。 二者结合，共同控制曝光量。
将近点校正到250mm处： 光焦度
1 1 1 1 1 3.2(m 1 ) 3.2( D) f ' l ' l 1.25 0.25
即应配 320 度的眼镜。
三、眼睛的分辨率 人眼能分辨两像点间的最小距离=视神经细 胞的直径——分辨能力。 当两像点落在同一视觉细胞上时，人眼无法 分辨；但当两像点距离大于等于细胞直径时， 两像点不可能落在相邻细胞上，则眼睛可分辨
五、远心光路
显微系统用于测量尺寸时，视场光阑处常 放分划板，调焦使被测物的像与之重合。
调焦不准带来测量误差。 孔径光阑位于物镜像方焦平面上：物方远心光路
远心成像镜头
第四节
望远镜系统
望远镜是为了看清楚远处物体。
倒立像
视觉放大率：
对于开普勒望远镜：
tg ' tg f0 ' D / D' fe '
望远镜的物距几乎是无限大，实用中调节物距是无效 的．故我们可以调节物镜和目镜的间距，使物镜的像 正好落在目镜的焦平面上．
第六节 摄影系统
一、摄影物镜的光学特性 1.视场 成像范围
2.分辨率 像平面上每mm内能分辨开的线对数。 NL = 1475 D/f’ = 1475/F F = f’/D 物镜的光圈数

折反
Cassegrain-type Ritchie Cretien望远镜
632.8nm这个 波长可以看做 没球差
在较大空间频率范围内，都有 较大的MTF值
常数场曲，无畸变！
可见这个 望远镜是 设计相当 完美的一 个
显微镜


显微镜由物镜和目镜组成 物体AB在物镜前焦面稍前处，经物镜成放大、倒立的实 像A'B'，它位于目镜前焦面或稍后处，经目镜成放大的虚 像，该像位于无穷远或明视距离处
施密特望远镜： 它在球面反射镜的球心位置处放 置一施密特校正板。它是一个面 是平面，另一个面是轻度变形的 非球面，使光束的中心部分略有 会聚，而外围部分略有发散，正 好矫正球差和彗差。
马克苏托夫望远镜 ：
在球面反射镜前面加一个弯月型透 镜，选择合适的弯月透镜的参数和 位置，可以同时校正球差和彗差。
以马克苏托夫望远镜为例：
让我们把反射和折反的图放一起比较下
注意： 比较像差的大小要看图像的范围。 这里反射弥散斑范围1000um，而 折射仅40um。所以如果两个放到 一个比例下比较，折反射的像差 远小于反射的
比较下反射和折反的MTF图：
同样，应注意横坐标的范围： 反射 显然折反式在很高的频率仍具有较高的 MTF
NEC GT1150投影机光学系统实物图
对光学设计而言，设计投影系统，一是要让整体结构尽量紧 凑，尺寸小，重量要轻。此外好的照明系统，和好的物镜都 是设计的关键
投影的小型化趋势
投影仪就是把待投影的图像放在一个物镜一倍和二倍焦距之 间，这样能在远处的屏幕上成像。但其实际结构却复杂的多， 以我们教室头上的投影仪为例，它的内部是怎样的呢？
注意:在投影机中所使用的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并没有 针对红、绿、蓝等颜色差别。为了清晰再现图像色彩，它其实是使用了 三张LCD液晶板来分别再现三种颜色，然后再经过光学系统的把这些分 离的颜色合成再一起，投影在屏幕上，就组成了一副完整的图像。

1）视差角（ J1AJ 2 角）
A B
须物要位于有限距离处。
弥补近视眼的缺陷，采用的方法就是戴负透镜。
该负透镜的焦距大小为： f ' lr 2）远视眼：远点位于人眼之后；点取决于人眼的调节能力。
由于人的眼球较短，水晶体像方焦点位于视网膜之后。所以远视眼矫正的方
法，佩戴正透镜。
3）老花眼：远点位于无限远处；近点则因受调节能力的限制而距眼较远。 矫正的方法佩戴凸透镜。
A CB
J1 B'1 A'1 C1'
J2 A'2 B'2C2'
图 7—5 双目立体成像 人眼注视 A 点，将在二眼各自黄斑处产生一个像。现在 J1AJ 2 范围内取一点 B，当物点 A 成像时，B 也将同时在双眼各自成像。但是由于 B'1成像于黄斑的左 侧；而 B'2 成像于黄斑的右侧，由于分别成像于黄斑的不同侧，所以成双像。 即有：在角 J1AJ 2 范围内的空间所有点都成双像。而在角 J1AJ 2 范围外的空 间所有点都单一像。 所以按照我们刚才的分析讨论的，当观察周围空间时应该既有双像存在，也 有单像存在的。但实际上我们感受不到双像的存在，是因为双眼不断的转动，注 视点在不断的改变的缘故，所以日常不易察觉双像的那部分空间在人眼中的影 响。 2、 双眼立体视觉 立体视觉是双眼一个非常重要的特性主要原因是视差角的不同。
c)
b)
d)
图 7—4 对准形式Biblioteka (1 ~ 1 ) 6 10
即对准误差为分辨率的 1／6~1／10。 六、双目立体视觉 1、 双眼视觉
这是绝大部分人观察物体的情况，由于正常人都有二只眼，故当观察周围物 体时，二眼并用，由于二眼可分别看作是一光学系统，所以物体将在左右二眼中 各自成像，成二个像，并最终在大脑中汇合为单一像。

f1 tg
f 2 tg
f1 tg tg f 2 D D D 2 f1 2 f 2 D
1、D 为望远镜的入射光瞳直径 ；D‘ 为望远镜的出射光瞳直径 ； 2、望远镜的视觉放大率决定于望远系统的结构。
三、分辨率及工作放大率
2y
4、显微镜的景深
2 y
物
nf 250 mm n 2dx NA NA
显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。
三、显微镜的分辨率和有效放大率
1、分辨率（用分辨距离σ 表示）
1）两个发光点的分辨率：
1.22 0.61 2n sin U NA
这些特性参数决定了望远镜的分辨率，像的主观亮度，和系统的 外形尺寸。
2）物镜的焦距 f1 ：在目镜焦距 f 2 选定后，由视觉放大率决定； 3）望远物镜需校正的主要象差：有球差、色差和正弦差； 4）物镜后有 透镜转象系统时，二者可分别校正象差； 棱镜转象系统时，必须用物镜和棱镜的象差互相补偿。
2、望远目镜
五、显微目镜
主要光学特性参数有： 1、视觉放大率：
250 0 f目
2、目镜的线视场（由视场光阑的大小决定）
3、镜目距（出瞳距离）： l Z 6mm
4、目镜的通光口径： 由渐晕系数及几何关系决定。
习题2：一个显微镜物镜的垂轴放大倍率为-3倍，数值孔径为
0.2，共轭距L为180毫米，物镜框为孔阑，目镜焦距为30毫米，求：
0.5 NA
设所用照明的平均波长为0.00055mm， 有
近似为： 显微镜的放大率取决于物镜的分辨率或数值孔径。当使用比有效 放大率下限(500NA)更小的放大率时，不能看清物镜已分辨出的某些 细节。若用比有效放大率上限(1000NA)更高的放大率，是无效放大， 并不能使被观察物体的细节更清晰。

F—光圈数
3.象面照度
三、摄影物镜的景深
• • • • f ’与Δ 的关系 ：焦距越长，景深越小。 2a与Δ 的关系 ：入瞳直径越大，景深越小。 P与Δ 的关系 ：拍摄距离越大，景深越大。 F与Δ 的关系 ：光圈数越大，景深越大。
四、摄影物镜的类型
1、按焦距分类 长焦镜头：300mm以上 中：80—280mm 标准：50mm 短焦：28-35mm
第七章 典型组成：
• 摄影系统由摄影物镜和感光元件组成。 • 感光元：感光胶片、CCD、电子光学变像管或电视摄像管
二、摄影物镜的光学特性
焦距决定成像大小 相对孔径决定像面照度和分辨率 视场决定成像范围
二、摄影物镜的光学特性
1、视场
底片的对角线长度
2.分辨率： 利用光学传递函数（OTF）评价摄影物镜
四、摄影物镜的类型
2、按相对孔径分 弱光镜头：——1：16 普通：——1：2.8—1：4 强光：——1：1.2 超强光：——1：1 3、按视场分类 望远物镜：16° 以内（小视场 ） 普通物镜：40°——50° 广角物镜：60°——80° 超广角：120° 鱼眼：180°
四、摄影物镜的类型
• 因摄影物镜属于大孔径、大视场系统，需 要校正轴上点和轴外点全部像差，所以通 常结构比较复杂。如：普通摄影物镜、大 孔径摄影物镜、广角摄影物镜、远摄物镜 和变焦距物镜等。 其他的，还有变形镜头（柱面镜）、偏光 镜头（立体电影）
• ①普通摄影物镜
②大相对孔径摄影物镜
③广角摄影物镜
④远摄物镜
⑤变焦距物镜
固定组
变倍组
§ 7-7 投影系统
•倒置的摄影系统
测量用：倍率大、畸变小、L固定，暗室、精度高
投影仪的照明

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• 所谓远视眼就是其远点在眼睛之后（r > 0），近点在 明视距离以外，即近点变远。 • 这是由于眼球偏短晶状 体曲率太大，像方焦点 位于视网膜的之后所致。 因此，射入眼睛的光束 只有是会聚时，才能正 好聚焦在视网膜上。 • 对应着正视度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远。 • 远点距 l r 的倒数，表示近视眼或远视眼的视度，单位 为屈光度D，医院把1D称为100度。 • 统一思想：先将无限远物体成像于远点，再经远点成 ' 像于视网膜：所需透镜（即眼镜）的焦距为： f lr
晶状体
盲斑
晶状体似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折 射 率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高成像质量。 晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌能改变晶状体的表 面曲率，使人眼在看远近不同的物体总能将像成在网膜上。 10
人眼的构造剖视图
巩膜 瞳孔 角膜 前室 晶状体 后室 角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液； 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体 盲斑 虹膜 网膜 脉络膜 黄斑中心凹
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四、眼睛的分辨率（分辨本领）
• 人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是 目视光学仪器设计的重要依据之一。 • 用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼 时也可据此作为参考。 眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分 辨率（分辨本领） 人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。
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四、眼睛的分辨率（分辨本领）
• 人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是 目视光学仪器设计的重要依据之一。 • 用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼 时也可据此作为参考。 眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分 辨率（分辨本领） 人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。

第一节 眼睛及其光学系统
一、眼睛的结构与功能
1.结构：眼睛结构包括角膜、前室(水状液)、水晶体和后室(玻璃 体)、视网膜、瞳孔、黄斑、脉络膜、巩膜、黄斑和盲点。
2.眼睛的成像
人眼的结构类似一个摄影系统，角膜相当于一个凸凹镜，前室亦如 此，水晶体相当于一个双凸镜。物点在视网膜上形成一个倒立的实像， 但这一倒像的感觉经神经系统的作用，给人以正像的视觉。
远轴光线
轴上点 (1条)过入瞳边缘 轴外点 (11个视场)，上、主、下光线
彗差 倍率色差 像散
实际光路 校对公式 过渡公式
轴外点主光 子午面 线细光束 弧矢面 轴外点 主光线
场曲 畸变
实际光路
球差
轴上点波像差
垂轴像差
轴外点波像差
色差 、球色差
波色差
单色几何像差总结
像差种类 性质/表现
球差
孔径函数 对称性 圆形的弥散斑
称为视度，单位为折光度（或屈光度）。通常医院和眼镜店把一折光度 称作100度。
近
焦点在网膜前，眼球偏长，远点在眼前有限远.
视 眼
矫正应配戴正透镜
远
焦点在网膜后，眼球偏短，远点在眼后有限远 .
视
矫正应配戴负透镜
眼
折射面曲率异常，两个互相垂直的方向有不同的焦距
散
. 矫正应配戴圆柱面或双心圆柱面透镜
光
斜
水晶体位置不正或折射面曲率异常
视
矫正应配戴光楔
三、眼睛的辐射接收作用 视网膜：由锥状细胞和杆状细胞组成，两种细胞各有不同的任务； 杆状细胞：对光刺激极敏感，但完全不感色； 锥状细胞：感光能力差，但它们能对各色光有不同的感受。 适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。 明适应和暗适应：由暗处进入亮处，瞳孔自动缩小；由亮处进入暗处， 瞳孔自动放大。 四、眼睛的分辨率

适应是指眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程 度；是通过瞳孔的自动增大或缩小完成的。

明适应：由暗处到亮处 暗适应：由亮处到暗处
三、眼睛的调节及校正
眼睛的调节：眼睛成像系统对任意距离的物体自动 调焦的过程。 视度：眼睛的调节程度。若视网膜在物空间的共轭面离开
眼睛的距离为l（以米为单位），则l 的倒数称为视度，用 SD表示 1 SD l 正常人眼，在没有调节的自然状态下，无限远物体的像正 好成在视网膜上，即远点在无限远，此时视度为
L L2 / b
（7-10）
将b 62m m, min 10" 0.00005 代入上式, 得 L 8 104 L2
（7-11）
若通过双目光学系统来增大基线b或减少 Δθmin，则可以增大体视半径和减少立体 视觉误差。
第二节 放大镜
一、 视觉放大率
目视光学仪器的基本工作原理：使物体通过这 些仪器后，其像对人眼的张角大于直接观察 物体时对人眼的张角。
A b L
（7-8）
立体视差：不同距离的物体 对应不同的视差角， 其差 异 称为立体视差。 体视锐度：人眼能感觉到 的极限值 min 称为体视锐 度
人眼能分辨远近的最大距离
Lmax b
min
62mm 20265/ 10" 1200
（7-9）
Lmax称作立体视觉半径 立体视觉阈：双眼能分辨两点间的最 短深度距离。
第七章
典型光学系统
第一节 眼睛及其光学系统
第二节 放大镜 第三节 显微镜系统 第四节 望远镜系统 第五节 目镜 第六节 摄影系统 第七节 投影系统
第一节 眼睛及其光学系统
一、眼睛的结构——成像光学系统

要求屏幕光照度100lx，求
1）投影物镜放大率
2）物镜焦距 f
3）物镜相对孔径 D f
4）物镜视场角 2
解：1）物面是圆的，屏幕是长方形，必须让物面的像全部
落在屏幕内： 2000100
20
2） 很大 f l， l1100 00 100 m 00m
3）由 EL si2n U1 4L (D f)212
例：一台照相机，镜头焦距 f50mm，画幅尺寸 2436mm2， 取F为4，胶片分辨率为80lp /mm，试求：
1）镜头视场角 2 2）入瞳口径 D 3）照相机分辨率N
解：1）取画幅对角线一半作为像高， 2y 242362
ta ny 242362 0.432666
f 250
246.80
2）因为 F f D
2、相对孔径 D f
按理想成像理论：
sinU
sin U
sinU sinU
当放大率 较大时，
l f
sinU D 2f
sinU D 1
2f
屏幕中心光照度： EL si2n U1 4L (D f)212
当放大率增加时，必须加大相对孔径来保证屏幕上的光照度。
3、视场2y ——由物体（或屏幕）大小所决定
光源
B 1
C1
B1
C 1
透射式投影仪原理图
屏幕
C
B
C
照明系统的出射窗（光源像）与投 影系统的入瞳（物镜）重合，即窗 对瞳
二、投影系统中的聚光镜 ——提供充分、均匀的照明
要求：聚光镜大小 2h1 底片大小 2 y 2
光源像大小 2y1 投影物镜大小2 h 2
y1u1(ll1 1 y1 )h l1 1h1 l1 yh1 lh 1 2