4第四章 数码镜头设计原理基础篇光谱与亮度.docx
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4第四章数码镜头设计原理基础篇光谱与亮度
章节内容
数码镜头设计原理_基础篇
第四章光谱与亮度
第一 节感色问题
1国家标准
下面是国标中关于照象镜头彩色还原性计算部分的摘抄:
2光学系统显色性的计算
(1)算式
上面的资料说明了如何用三基色RGB来评价镜头的彩色还原性。
但上面纯理论的介召在实际中不便应用。
三基色计算最实用的介召在国防工业出版社1985年9月出版的“光学手册”50页。
下面说明其计算方法:
上面这组公式是计算光谱曲线的色座标,式中:
----光源相对光谱辐射功率分布。
----标准色度观察者的光谱三刺激值,当观查角度小于4°时,大于4°要查不同的表。
可见上式用于计算人眼对观查到的光谱的颜色的色座标。
注意:
必需用上式颜色的色座标通过下面的计算得到RGB值,然后从色三角形或软件RGB色显示来得到人眼能感到的颜色。
(2)实例
下面是用上公式组编的程序对12层红膜进行工艺色观查时的程序,以及该程序的运行结果:
这是计算膜层在镀各层时的RGB座标的程序:
这是根据镀制膜的各层产生的RGB色座标文件,进行的色显示结果:
(3)光学系统显色性计算
设物体镜过光学系统透射到CCD上,再由电路经过白平衡由显示屏显示,则该系统由光源调制的相对光谱能量算式如下:
K1*K2*K3*K4*K5*K6*K7*S(λ)
式中:
K1---光源光谱能量分布
K2---膜层透过率光谱能量分布
K3---玻璃透过率光谱能量分布
K4---CCD光谱敏感度分布
K5---电路白平衡光谱修正分布
K6---显示屏光谱显色分布
K7---人眼光谱灵敏度曲线
为了能更好的理解上式,其物理意义阐述如下:
K1是光源光谱的辐射功率,后续的各K2*K3*。
。
。
*K6值的连乘积可看作对光源光谱辐射的总透过率,S(λ)是光源对波长的光谱辐射密度,用它乘前面的积,就是光源在单位波长上到达人眼的光谱辐射功率。
这就是物理意义。
有了值,将其乘人眼的光谱三刺激值:
、
、
,就可以得到人眼与色相关的光源光谱辐射对波长的密度。
若将其乘光源某处的微小波长间隔,就得到波长片对应的人眼感受到的三刺激值对应的光源光谱辐射片,所有波长的光源光谱辐射片累加,在人眼就获得三刺激值相关的色座标X,Y,Z。
然后将其归一化得到决定颜色在色度三角形的色点的归化色座标:
、
、
。
同时可计算出在各类软件中显色语句必需有的RGB值。
以上是色度学中显色理论的基本思路。
3人眼的光谱特性
人眼的光谱灵敏度就是上式中的K7,人眼对各色光的敏感度可见下表(以λ=555nm的人眼灵敏度为1,人眼对其它色光敏感度与它相比得到的表):
4CCD的光谱特性
在前面的第一章曾价召过CCD
的光谱灵敏度曲线如下图。
在图中可
见其近红外透过率比人眼高较多。
为
了使光学系统的显色性与人眼接近,
要在数码镜头后加CCD或CMOS红
外滤光片,使通过滤光镜校色后的的光
学系统彩色还原性接近B:
G:
R=0:
5:
4
5CCD照度响应的计算
(1)CCD照度响应曲线
在前面的第一章曾价召过CCD
的光照度响应曲线如右图。
由图可见
在100lx光照范围内输出的光敏电压
与光照度成正比。
域值照度小于1lx,
饱和光照为1000lx。
(2)光学系统CCD上的照度
下面推出的公式适用于多种情况下精确计算白光CCD上的照度:
(3)光度学的相关资料
以上资料供光学系统象面照度计算时参考。
第 二节色校正
1镜头镀膜问题
当接受器是胶片时,镜头镀膜应校验彩色还原性。
或对镀出的膜的反射色有要求时,膜层设计完后最好计算光学系统的RGB值是否超,计算方法前面已介召了。
但由于计算工作量大,且有时需事先查看膜的颜色,这些都需要在程序上完成。
如果膜层设计完后要求达到样品色,则应先测出膜层的RGB值,然后膜层设计时用RGB的测量值作为目标值来设计。
2滤色片
由前面CCD的光谱灵敏度曲线可见,由于CCD和CMOS对红外敏感度高,它们受光照对R(红)感生的光电流大,则产生的颜色的数字信号中,R比例就偏大,使图象偏红,为此需用低通截止滤光片当住可见光外的红外部分通过。
该滤光片在透射光中应显淡的黄绿色,反射光中应显淡红色(这个颜色标准可用于挑选白光用的数码镜头的低通截止滤光片)。
3电路校色
在数码相机的电路有白平衡功能,白平衡是通过电路的方法调整图象的RGB比例,从而达到调整图象颜色的目的。
多数电路是单一调整R或G或B的比例,因此调色是不完整的。
这就要求CCD前方的光学系统本身有较好的彩色还原性,而电路的白平衡只能作为调色的辅助手段。
第三节CCD与CMOS滤色片
1可见光与其它要求色光的CCD滤色片
数码镜头从色的使用环境差异上,有:
彩色数码镜头(滤色片为镀红外截止膜),黑白镜头多数不用滤色片,可见红外两用镜头一般也不用滤色片,红外专用微弱光的场合下,应用红外选通膜,只让工作波段红外通过,这样可减少杂光干扰,红外测量镜头多用此类膜。
2CMOS滤色片
CMOS的红外敏感度比CCD还高,因此更应注意红外膜类的使用。