照相机镜头的光学特性课件

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1、照相机镜头及其光学特性,主要内容,一、镜头及其基本功能 二、焦距和像比例尺 三、相对孔径和光圈系数 四、像面上的照度分布 五、视场角和像场角 六、色差与畸变差 七、镜头的加膜 八、景深和超焦点距离 九、镜头分解力,所有镜头具备的基本功能都是相同的，让光线进入照相机并聚焦光线在感光介质或CCD上形成清晰的影像。,一、镜头及其基本功能,1、镜头的基本功能,2、镜头的组成,一、镜头及其基本功能,摄影机物镜是一个复杂的光学系 统，一般由几个透镜组合而成。 为了分析方便，可把这一系列的 透镜看作一个凸透镜。,2、镜头的组成,一、镜头及其基本功能,如图AB是一条平行于主光轴的光线，CD是其折射光线，CD与

2、主光轴的交点F称为像方主焦点或后主焦点；对应地，F称为物方焦点。 由物点发射的诸入射光线和经物镜出射的诸成像光线中，有一对共轭光线，其入射光线与主光轴的夹角和出射光线与主光轴的夹角恰好相等；此时共轭光线与主光轴的交点分别为S和S，称S为物（前）方节点，S为像（后）方节点。对于理想物镜而言，物方节点和像方节点分别与物方主点和像方主点重合。假定物镜的两个主平面重合，则共轭光线重合为一条直线，此时投射光线和折射光线为一条直线，称为主光线。,1、焦距(Focal Length),相机的镜头是一组透镜，当平行于主光轴的光线穿过透镜时，会会聚到一点上，这个点叫做焦点，焦点到透镜中心（即光心）的距离，就称为

3、焦距。光心（Optical center）：透镜中的一个特殊点，凡是通过该点的光，其传播方向不变。 从镜头的物方节点到物方焦点的距离叫做物方焦距。 从镜头的像方节点到像方焦点的距离叫做像方焦距。 照相机镜头的焦距是指像方焦距。,二、焦距和像比例尺,二、焦距和像比例尺,2、影像比例尺,3、对影像大小的影响,当a一定时，即在物距相等的条件下，f长，比例尺就大；f短，比例尺就小。 为得到比例尺较大的影象，可以采用长焦距镜头摄影，如航空摄影，新闻摄影。 在航空摄影中的像片比例尺为,二、焦距和像比例尺,焦距与影像大小的关系,3、镜头按焦距分类,定焦镜头：按镜头的焦距与像幅对角线长度的比值f/d，分为：

4、标准镜头 d/f=1 短焦（广角）镜头 d/f1 长焦（望远）镜头 d/f1,二、焦距和像比例尺,变焦镜头 ：变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距、从而得到不同宽窄的视场角，不同大小的影像和不同景物范围的照相机镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。由于一个变焦镜头可以兼担当起若干个定焦镜头的作用，外出旅游时不仅减少了携带摄影器材的数量，也节省了更换镜头的时间。 光学变焦原理：通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。,3、镜头按焦距分类,变焦镜头,在一定的范围内焦距可变。,按

5、照变焦距范围，摄像机镜头可以分为标准镜头、广角镜头 和长焦镜头。,标准镜头,焦距长度和所摄画幅的对角线长度大致相等的摄影镜头。其视角一般为4550。如画面35毫米为4060毫米焦距的镜头，6*6厘米的为7580毫米焦距的镜头。 135相机，40-58mm的镜头称为标准镜头。 120相机，75-85mm的镜头称为标准镜头。 标准镜头的画面效果与人眼视觉效果十分相似，它是所有镜头中最基本的一种摄影镜头。,标准镜头(50-75mm),由于标准镜头的画面效果与人眼视觉效果十分相似，故用标准镜头拍摄的画面效果又是十分普通的，甚至可以说是十分“平淡”的，它很难获得广角镜头或远摄镜头那种渲染画面的戏剧性效果

6、。因此，要用标准镜头拍出生动的画面来又是相当不容易的，即使是资深的摄影师也认为用好用活标准镜头并不容易。 但是，标准镜头所表现的视觉效果有一种自然的亲近感，用标准镜头拍摄时与被摄物的距离也较适中，所以在诸如普通风景、普通人像、抓拍等摄影场合使用较多，最常见的纪念照，更是多用标准镜头来拍摄。另外，摄影者往往容易忽略的是，标准镜头还是一种成像质量上佳的镜头，它对于被摄体细节的表现非常的有效。 其透视关系与人眼看物体相同，因而应用最广。,短焦（广角）镜头,广角镜头是一种焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头、焦距长于鱼眼镜头、视角小于鱼眼镜头的摄影镜广角镜头。 广角镜头的基本特点是，镜头视角大，视野宽阔

7、。从某一视点观察到的景物范围要比人眼在同一视点所看到的大得多；景深长，可以表现出相当大的清晰范围；能强调画面的透视效果，善于夸张前景和表现景物的远近感，这有利于增强画面的感染力。,长焦（望远）镜头,长焦（望远）镜头,焦距镜头是指焦距长于标准尺寸的摄影物镜。在电影摄影中，选取水平视角为23度24度，相应焦距约为画幅对角线长度两倍的摄影物镜作为标准镜头。,特点： 1.视角小，拍摄的景物空间范围小，在相同的拍摄距离处，所拍摄的影像大于标准镜头，适用于拍摄远处景物的细部和拍摄不易接近的被摄体。如远距离拍摄风光人物、旅游摄影、在看台拍摄舞台、在动物园拍摄动物， 在科教影片中，运用望远镜头，可在隐蔽的远处

8、摄取野生动物，避免动物受到惊扰，从而使画面显得自然真实。 2.景深短，能使处于杂乱环境的被摄主体突出。 3.质量上乘的长镜头价格昂贵；长镜头往往又大又笨重 。,长焦（望远）镜头,第三，由于长焦镜头体积大，重量大，握持拍摄时不易稳固。另外长焦镜头成像倍率大，被摄体移动或相机稍微晃动，影像模糊程度也相应增大，因此必须采用较高快门速度。不同焦距的长焦镜头所用快门速度应高于该镜头焦距数值的倒数，这样才能避免相机晃动所带来的影像模糊，如使用的长焦镜头焦距为200毫米，则快门速度就必须在1/250秒以上。 第四， 成像质量受大气环境的影响比较大。焦距镜头在使用时，一般都是用来拍摄较远的景物。由于空气的吸收

9、及漫散射光线的影响。所以，拍摄的影像反差较小，加之尘粒消光较严重，要达到十分精确的调焦是不容易的。使用300毫米以上的超远摄镜头拍摄，还难以将各色光聚于一点，因而产生副光谱问题。基于上述情况，所以，有时所拍摄的作品的成像质量不高。,光圈： 光圈是摄影物镜组中的一个光阑，通常安装在物镜的两个透镜组之间，其孔径大小可根据需要改变。,1.光圈,三、相对孔径和光圈系数,光圈(Aperture)的作用,通过调节镜头的使用面积，从而控制进入镜头光线的多少，使镜头得到最佳曝光量。 限制镜头边缘部分使用，提高成像清晰度。 调节景深。,三、相对孔径和光圈系数,2、相对孔径 (Relative Aperture)

10、,定义：镜头的有效孔径d与焦距f的比值， 即df。 最大相对孔径，一般标注在物镜框上，1:4.5或F:4.5,三、相对孔径和光圈系数,结论：当景物亮度B一定时，像面照度与相对 孔径的平方成正比。,像面中心照度,3、像面中心照度与相对孔径的关系,三、相对孔径和光圈系数,K：物镜透光率,像面中心照度公式推导,三、相对孔径和光圈系数,光通量(F):单位时间内通过某一面积的光能称为通过该面积的光通量。 照度(E):用来反映物体表面被照明程度的物理量，实际上是单位面积的光通量：E=F/S 。 发光强度（I）：表示点光源向各方向辐射的光分布于一定立体角内的光通量F与该立体角之比，即在单位立体角发出的光通量

11、的数量。I=F/ 亮度(B):光源表面沿某个方向上单位面积的发光强度叫做光源的亮度。B=I/S,像面中心照度公式推导,三、相对孔径和光圈系数,进入镜头的光通量：,影像的光通量：,影像的照度：,由于：,三、相对孔径和光圈系数,像面中心照度公式推导,由此可得：,对于照相机来说,3、镜头的光强度,光强度：表达镜头产生光学影像亮度的能力。 超强光强度镜头 1：2.8以上 强光强度镜头 1：3.51：5.8 普通光强度镜头 1：6.31：9 弱光强度镜头 1：9以下,三、相对孔径和光圈系数,4、光圈系数,定义：相对孔径的倒数为光圈系数。 国际系统多数国家与我国采用这种系统：1.0、1.4、2、2.8、4

12、、5.6、8、11、16、22、32。 设计原则：相邻二光圈的平方相差一倍。,结论：相邻的光圈系数所 对应的曝光时间相 差一倍。,三、相对孔径和光圈系数,光圈系数,例：对某一景物摄影时，f/为4，t=1/100秒，可使胶卷得到合适的曝光量，若条件不变，f/调整为8，此时的曝光时间为多少？ 结论：1）f/数值越大，d就越小，进入镜头的光 线越少，所需的曝光时间越长。 2）相邻的光圈系数所对应的曝光时间相 差一倍。,四、像面上的照度分布,d,d,o,p,S,1、公式推导,四、像面上的照度分布,2、分布规律,四、像面上的照度分布,3、控制措施及校正方法 (1)设计物镜时，使物镜的有效孔径随光束倾角的

13、增大而增大。 (2)使用密度从中心向边缘减小的滤光片，即有目的地增加像场边缘处的曝光量。 (3) 上述两种方法同时采用后，一般可使均匀性达到40%，还要根据厂家提供的不均匀性数据或实测参数进行最后的校正。,五、镜头的视场角和像场角,五、镜头的视场角和像场角,视场角：镜头能在像面上构成影像的范围称为视场，其 直径对镜头中心所成的角称为视场角。 像场角：影像清晰的圆形范围称为像场，其直径对镜头 中心的张角为像场角。,像幅和像场角的关系：,像幅一定时，像场角大小与物镜焦距成反比。 物距一定时，像场角越大，摄取的景物范围越大，但比例尺小。,物镜按像场角的分类,摄远镜头 245。 标准镜头45。 275

14、 。 广角镜头75。 2110 。 特广角镜头 110。 2133 。 超广角镜头 133。 2,五、镜头的视场角和像场角,1、色差,白光是指由各种波长的光线平均混合在一起光线，感觉不出色彩，人眼可以感受到的可见光的波长为400nm(紫色)700nm(红色)。 光学玻璃的折射率随通过的光波的波长变化而变，它对短波长的光的折射率比长波长的折射率更大，当白光通过三棱境时，我们可以观察到彩虹光谱。由对波长的折射率不同而引起的彩虹光谱称之为色散现象(Dispersion)。 在摄影镜头中。这种起因于不同波长的像差，我们称它为色像差(Chromatic aberration)，即色差。,六、色差和畸变差

15、,色像差分成两种： 1、轴向色像差(Axial chromatic aberration)纵向色差：指的是光轴上的位置，因波长不同产生不同颜色有不同焦点的现象。如上图，红色光线的焦点比蓝色光线的焦点更远离镜片。 2、倍率色像差(Chromatic difference of magnification)横向色差：系指像的周围因光线波长的差异，所引起的映像倍率之改变。这是一种轴外像差，随视场角的增大而增大。 轴向色像差涉及到成像的焦点距离，引起色彩产生松散或光斑(flare)；而倍率色像差别则涉及到成像的大小，在画面周围引起色彩错开，形成扩散的彩色条纹，如镶边(fringing)现象。 色像差不

16、仅影响彩色胶片上成像的色彩再现，也会减低黑白胶片上成像的解像力。,畸变差,实际像点到主光轴的距离与理想像点到主光轴的距离之差称为该点影像的畸变差。 物镜畸变差分为对称径向畸变差和非对称畸变差。,六、色差和畸变差,1. 对称径向畸变差 是由于物镜的残余像差引起的畸变差。这种畸变差是对称于像主点的，并且入射光线、出射光线和主光轴位于一个平面上。,2.非对称畸变差 若不考虑物镜的残余像差，只考虑组成物镜的每一个镜片在加工及安装时没有使每一个镜片的节点都调整到公共的主光轴上，则会产生主光轴的偏心，从而入射角和出射角不在同一平面上。 主光轴的偏心将引起切向畸变差和非对称径向畸变差。两者统称为非对称畸变差。,镜头畸变差,六、色差和畸变差,1、弥散圆(circle of confusion) 在焦点前后，光线从聚集到扩散，点的影象从圆到点（焦点），继而有扩散到圆，这个焦点前面和后面的圆就叫做弥散圆。 如果此圆形足够小，肉眼依然