第七章 经典光学系统-摄影光学系统与放映光学系统
+第七章典型光学系统 122页PPT文档
立体视
觉半径
L m a b x m i6 nm 2 2 m 01 6 '' 0 1 22 m 60 50 式(7-9)
★ 立体视觉半径以外的物体，人眼不能分辨其远近。 ★ 在某些情况下，观察点虽在体视半径以内，仍有可能不产生 或难于产生立体视觉。 （1）若两物体（例如线）位于两眼基线的垂直平分线上，由于 此时的像不位于视网膜的对应点，在目视点以外的点产生双 像，破坏立体视觉。此时只要把头移动一下,便可恢复立体视觉.
第二节 放大镜
一、视觉放大率
★ 人眼感觉的物体大小取决于其像在视网膜上的大小，由于 眼睛光学系统的焦距是一定的，故也取决于物体对人眼所张的 视角大小。
★ 被观察的物体细节对眼睛节点的张角大于眼睛的分辨率 60″时，眼睛才能分辨。
★ 目视光学仪器的基本工作原理：物体通过这些仪器后，其 像对人眼的张角大于人眼直接观察物体时对人眼的张角。
▲ 散光
若水晶体两表面不对称，则使细光束的两个主截面的光线不
交于一点，即两主截面的远点距也不相同，视度Rl≠R2，其差作 为人眼的散光度AST 。
ASTR1R2
式（7-3）
散光的校正——为校正散光可用柱面或双心柱面透镜。
用两正交的黑白线条图案可 以检验散光眼。由于存在像散， 不同方向的线条不能同时看清。 具 有 0.5D 的 像 散 不 足 为 奇 ， 不 必校正。
六、眼睛的景深
眼睛的景深：当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节 能同时看清对准平面前和后某一距离的物体,称作眼睛的景深。
远景平面
对准平面
近景平面
对准平面P上物点A在视网膜上形成点像A’，在远景平面Pl和 近景平面P2上的A1和A2在视网膜上形成弥散斑，弥散斑的大小 对应人眼的极限分辨角ε。所以A1和A2在视网膜上形成的像等 效于对准平面上ab两点在视网膜上形成的像a’b’，因节点处的
工程光学习题参考答案第七章 典型光学系统
第七章 典型光学系统1．一个人近视程度是D 2-（屈光度），调节范围是D 8，求： （1）远点距离； （2）其近点距离；（3）配戴100度近视镜，求该镜的焦距； （4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离； （5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。
解： ① 21-==rl R )/1(m ∴ m l r 5.0-=②P R A -= D A 8= D R 2-= ∴D A R P 1082-=--=-=m P l p 1.01011-=-== ③fD '=1∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-='m l R1-=' ⑤P R A '-'= D A 8= D R 1-='D A R P 9-=-'='m l P11.091-=-=' 2．一放大镜焦距mm f 25='，通光孔径mm D 18=，眼睛距放大镜为mm 50，像距离眼睛在明视距离mm 250，渐晕系数为%50=k ，试求（1） 视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。
eye已知：放大镜 mm f 25=' mm D 18=放 mm P 50=' mm l P 250='-'%50=K求：① Γ ② 2y ③l 解：①fDP '-'-=Γ1 25501252501250-+=''-+'=f P f 92110=-+=②由%50=K 可得： 18.050*2182=='='P D tg 放ω ωωtg tg '=Γ ∴02.0918.0==ωtg Dytg =ω ∴mm Dtg y 502.0*250===ω ∴mm y 102= 方法二：18.0='ωtg mm tg y 45*250='='ω mm l 200-=' mm fe 250='mm l 2.22-= yy l l X '==='=92.22200β mm y 102=③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'='f l l '=-'11125112001=--l mm l 22.22-=3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x3-=β，数值孔径1.0=NA ，共扼距mm L 180=，物镜框是孔径光阑，目镜焦距mm f e 25='。
应用光学_第7章_摄影和投影光学系统
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）
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
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。
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。
第七章 CCD应用中的光学系统 - 副本资料
w/
2
D/
F1/(F2) 分划板 -f
l2/ 眼睛 目镜
A/// y/// B///
图8-37 望远系统成像原理
36
两面凸透镜
物镜：成倒立缩小的实像
目镜：成正立放大的虚像
望远镜原理
37
望远系统的视角放大率是物体经过望远系统所成的像对 人眼张角的正切值tgω/，与人眼直接观察物体时物体对人眼张 角的正切值tgω之比。其计算公式为 Г= tgω// tgω=-f/物/f/目 式中， f/物为望远物镜的焦距；f/目为目镜的焦距。 由此式可见，只有物镜的焦距大于目镜的焦距时，望远 系统才有视角放大作用。而且当目镜的焦距一定时，要求有
δ=0.5λ/(NA) 由以上公式可以看出，物镜在像差校正好以后，对一定波长的
光线，分辨率完全由物镜的数值孔径所决定。数值孔径越大，分辨
率越高。所以提高分辨率的主要途径是增大数值孔径。
31
当物方介质折射率为空气时，物镜最大的数值孔径为1，一 般只有0.9左右。而在物体和物镜之间浸以高折射率的液体，如
折射棱镜1273光学系统中光阑的作用一孔径光阑入射光瞳和出射光瞳二视场光阑三渐晕光阑四消杂光光阑1374常用光电图像转换系统的成像特性以ccd器件作为接收器的光学系统主要是由成像物镜和ccd器件组成的物体经物镜成像在ccd器件上因此成像物镜的光学特性决定了系统的使用性能
第七章 CCD应用中的光学系统
成下列形式
2 E0 ( )2 4 f ( ) 2
KL D
20
由上式可见，像面照度与相对孔径的平方成正比，相
对孔径越大，像面照度也越大。 轴外像点的照度与视场角有关，它与视场中心的 像面照度有以下关系 E E0 cos4 w 常见照相物镜的相对孔径为1∶4.5-1 ∶2。 在摄影物镜的外镜筒上，刻有与相对孔径对应的 数字和指标。数字为相对孔径的倒数，俗称为F数或 光圈数。
第七章典型的光学系统详解
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。
应用光学各章知识点归纳
第一章 几何光学基本定律与成像概念波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。
光的传播即为光波波阵面的传播，与波面对应的法线束就是光束。
波前：某一瞬间波动所到达的位置。
光线的四个传播定律：1）直线传播定律：在各向同性的均匀透明介质中，光沿直线传播，相关自然现象有：日月食，小孔成像等。
2）独立传播定律：从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响，各光线独立传播。
3）反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内，入射光线和反射光线在法线的两侧，反射角等于入射角。
4）折射定律：入射光线、法线和折射光线在同一平面内；入射光线和折射光线在法线的两侧，入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率之比，即nn I I ''sin sin = 光路可逆：光沿着原来的反射（折射）光线的方向射到媒质表面，必定会逆着原来的入射方向反射（折射）出媒质的性质。
光程：光在介质中传播的几何路程S 和介质折射率n 的乘积。
各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。
各向异性介质：单晶体（双折射现象）马吕斯定律：光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
费马原理：光总是沿光程为极小，极大，或常量的路径传播。
全反射临界角：12arcsinn n C = 全反射条件：1）光线从光密介质向光疏介质入射。
2）入射角大于临界角。
共轴光学系统：光学系统中各个光学元件表面曲率中心在一条直线上。
物点/像点：物/像光束的交点。
实物/实像点：实际光线的汇聚点。
虚物/虚像点：由光线延长线构成的成像点。
共轭：物经过光学系统后与像的对应关系。
（A ，A’的对称性）完善成像：任何一个物点发出的全部光线，通过光学系统后，仍然聚交于同一点。
每一个物点都对应唯一的像点。
理想成像条件：物点和像点之间所有光线为等光程。
工程光学第七章典型光学系统
①透射光亮视场照明。光通过透明物体产生亮视场。 ②反射光亮视场照明。对不透明的物体，从上面照射产生漫射或规 则的反射形成亮视场。 ③透射光暗视场照明。倾斜入射的照明光束在物体旁侧向通过，光 束通过物体结构的衍射、折射和反射，射向物镜，形成物体的像， 则获得暗视场。 ④反射光暗视场照明。在旁侧入射到物体上的照明光束经反射后在 物镜侧向通过，若无缺陷的放射镜作为物体，得到一均匀暗视2场2 。
距离
距离
R为远点视度，P为近点视度，单位为屈光度（D）=1/m。 医学上， 1D=100度。 随着年龄增大，肌肉调节能力下降，调节范围减小。
（二）眼的缺陷及校正
眼睛的远点在无限远或眼光学系统的后焦点在视网膜上，称
为正常眼。
正常眼观察近物时，物体距眼最适宜的距离是250mm，称
为明视距离M。
4
①近视眼 近视眼的网膜离水晶体太远或水晶体表面曲率太大，无限 远物点成像在网膜之前，远点在眼前有限远。 需配一负光角度凹面透镜，透镜的像方焦点与眼睛的远点 重合，这样，无限远物点就能成像在网膜上。
大小应与目 500tgw 6，8，11，16，22，32。 镜的视场角 250 D ②成实像的眼睛、摄影和投影系统。
f e
e
一致： e
2 y 5 0 0tg w e
5 0 0tg w
表明：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物
空间的线视场越小。
18
三、显微镜的出瞳直径 普通显微镜，物镜框是孔径光阑。 复杂物镜，其最后镜组的镜框为孔径光阑。 测量用显微镜，物镜像方焦平面上设置专门的孔径光阑， 经目镜所成的像为出瞳（直径为D‘）。 则有： n ysinun ysinu nsinuyn sinu y n sinu fo
摄影和放映系统
摄影光学系统1. 摄影光学系统的焦距、相对孔径（与光圈数的关系）和视场 2. 摄影物镜的光束限制，相对孔径与照度关系 3. 摄影物镜的景深和几何焦深 4. 摄影物镜的分辨率 5. 摄影物镜与各种镜头效果 投影及放映光学系统1. 像面照度均匀时投影系统和照明系统的位置关系，对照明系统的要求 2. 宽银幕镜头简介引言典型光学系统包括眼睛放大镜显微镜望远镜摄影系统投影与放映系统§7-5 摄影光学系统• 摄影光学系统的焦距、相对孔径与视场 返回决定像的大小： 焦距 远处 近处大视场小：特写镜头，远摄镜头 小视场大：全景镜头，广角镜头相对孔径与像面照度有关大：强光镜头中等：普通镜头焦距长时球差大，相对孔径要小些 小：弱光镜头 能摄入接收面的视场角，由接收面大小决 视场角 定是接收面的对角线长• 摄影系统中的光束限制 返回 1.孔径光阑 是特设的可变光阑，一般在镜头内部对称面附近。
光圈数 像面照度 F 数通常以 为公比排列 2 成等比级数： 2.8 4 5.6 8 11 16 22 32曝光量摄影时选择光圈数和快门速度有两种方式：光圈优先：取决于被摄物是全景还是特定，根据景深要求选择光圈数。
快门优先：取决于被摄物是静止的还是运动的运动速度如何。
2.视场光阑 摄影光学系统的视场光阑就是接收面，如底片框或图像传感器成像面。
3.渐晕光阑由于摄影光学系统视场、孔径都很大，远离孔径光阑的透镜常要拦光，否则易造成透镜口径太大，笨 重不便，而且轴外宽光束像差也会影响像质。
在最大视场最大相对孔径时拦掉 50%是常见的，有时也可以拦剩 30%。
如右图同样光圈数时不同视场渐晕不同同样视场不同光圈数渐晕也不同• 摄影光学系统的景深和几何焦深 1. 摄影光学系统的景深返回景深指当调焦于某一对象时，前后能成清晰像的空间深度。
摄影光学系统的景深公式：所以，对准距离远，则景深大； 光圈数大，相对孔径小，则景深大； 焦距短，则景深大。