相机光学.docx

1、相机光学相机光学 照相机的工作过程，概略地说是应用光学成象原理，通过照相镜头将被摄物体成象在感光材料上。下面将粗略地介绍摄影光学成象原理：人类对于光的本性的认识，光线的传播及透镜成象原理。 人类对于光的本性的认识经历了漫长而又曲折的过程。在整个18世纪中，光的微粒流理论在光学中仍占优势，人们普遍认为光是微小的粒子组成的，从点光源发出并以直线向四面八方辐射。19世纪初，以杨氏（Young）和菲涅耳（Fresnel）的著作为代表逐步发展成今天的波动光学体系。如今对光的本性认识是：光和实物一样，是物质的一种，它同时具有波的性质和微粒（量子）的性质，但从整体来说，它既不是波，也不是微粒，也不是它们的混

2、合物。 从本质上，讲光和一般无线电波并无区别，光和电磁波一样是横波，即波的振动方向与传播方向垂直。一个发光体就是电磁波的发射源，发光体发射的电磁波向周围空间传播，和水波波动产生的波浪向四周传播相似。强度最大或最小的两点距离称为波长，用表示。传播一个波长所需的时间称为周期，用T表示，一个周期就是一个质点完成一次振动所需要的时间。1秒内振动的次数称为频率，用表示。经过1s振动传播的距离称为速度，用“v”表示。波长、频率、周期和速度之间有如下关系： v=/T ，=1/T，v= 由此可见，光的波长与频率成反比。实际上光波只占整个电磁波波段的很小一部分，见图1-2-1。 波长在400700nm的电磁波能

3、够为人眼所感觉，称为可见光，超过这个范围人眼就感觉不到了。不同波长的可见光在我们的眼睛中产生不同的颜色感觉，按照波长由长到短，光的颜色依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色。不同波长的电磁波在真空中具有完全相同的传播速度，数值是c=300,000km/s。 光既然是电磁波，研究光的传播问题，应该是一个波动传播问题，但是在设计照相机镜头及其他光学仪器时，并不把光看作是电磁波，而是把光看作是能传播能量的几何线，叫做光线。光源A发光就是向四周发出无数条几何线，这无数条具有方向的几何线就叫做光线。这样在几何光学中研究光的传播问题，就变成了一个几何问题、数学问题，问题简化多了。 下面叙述几何光学的几个基本

4、定律光线的传播规律： (1)光的直线传播定律 光在均匀介质中，是沿着直线传播的，即在均匀介质中光线为一直线。光的直线传播现象在日常生活中随时随地可以见到，如物体被光照射而成影，小孔成象等。光的直线传播引出了光线这个概念。 (2)光的独立传播定律 光的传播是独立的，当不同光线从不同方向通过介质某一点时，彼此互不影响。当两支光线会聚于空间某一点时，它的作用为简单的叠加。光线的这一性质，使被拍摄物体各点的光互不影响地进入照相镜头，在成象面上成象。 (3)光的反射定律 当光传播到两种不同介质的分界面时，就会改变传播方向，发生光的反射。光的反射定律指出： 入射光线、反射光线和分界面上光投射点的法线在同一

5、平面内，人射光线与反射光线分别位于法线的两侧。 人射角和反射角相等。如图1-2-2所示，入射光线与法线N的夹角记为入射角，用i表示；反射光线与法线N的夹角记为反射角，用表示。则有i=。光的反射现象还具有可逆性，假如光线逆着原来反射光线方向入射到界面上，那么它将逆着原来入射光线的方向反射出去。 随着界面的不同，反射又可分为定向反射和漫反射。从一个方向入射到光亮、平整的镜子上的光线，入射点都落到同一平面上，其反射都向着同一方向，如图1-2-3（a）所示，则称为定向反射。当光从一个方向投射到粗糙表面上时（如毛玻璃面等），由于粗糙面可以看成由许多角度不同的小平面组成，光线便从各个不同的方向反射出去，称

6、为漫反射，如图1-2-3（b）所示。但需注意在漫反射现象中，就每一条光线而言都还是遵循反射定律的。 光的反射，在照相术中起着相当重要的作用。例如人本身并不发光，但当光线从各个角度照射到人身上后，光线便可从各个角度有所反射。我们常利用反射光进行拍照，就是遵循光的反射定律。象差对成象质量的影响照相镜头的等级标准照相机的基本组成部分 我们可以用一个简单的示意图来表示照相机的基本结构（图111）。 一、镜头 图中镜头使景物成倒象聚焦在胶片上。为使不同位置的被摄物体成象清晰，除镜头本身需要校正好象差外，还应使物距、象距保持共轭关系。为此，镜头应该能前后移动进行调焦，因此较好的照相机一般都应该具有调焦机构

7、。 二、取景器 为了确定被摄景物的范围和便于进行拍摄构图，照相机都应装有取景器。现代照相机的取景器还带有测距、对焦功能。 三、控制曝光的机构快门和光圈 为了适应亮暗不同的拍摄对象，以期在胶片上获得正确的感光量，必须控制曝光时间的长短和进入镜头光线的强弱。于是照相机必须设置快门以控制曝光时间的长短，并设置光圈通过光孔大小的调节来控制光量。 四、输片计数机构 为了准备第二次拍摄，曝光后的胶片需要拉走，本曝光的胶片要拉过来，因此现代照相机需要有输片机构。为了指示胶片已拍摄的张数，就需要有计数机构。 五、机身 它既是照相机的暗箱，又是照相机各组成部分的结合体。 可用框图表示照相机的最基本组成部分。 其

8、实，就照相机这个基本功能而言，无论是早期的“银版照相机”，还是今日已经高度电子化、自动化、电脑化的照相机，其基本原理都没有多大区别。 日常使用的照相镜头由于受光学设计、加工工艺及装调技术等诸多因素的影响，要对一定大小的物体成理想象是不可能的，它实际所成的象与理想象总是有差异，这种成象的差异就称为镜头（或成象光学系统）的象差。 象差是由光学系统的物理条件（光学特性指标）所造成的。从某种意义上来说，任何光学系统都存在有一定程度的象差，而且从理论上来讲总也不可能将它们完全消除。肉眼和其他光能接收器也只具有一定的分辨能力，因此只要象差的数值小于一定的限度，我们就认为该系统的象差得到了矫正。 下面我们简

9、单扼要介绍照相镜头的象差分类、形成和矫正方法。 透镜的象差可以分成两大类：单色象差及色象差。 一、单色象差 如果镜头只对单色光成象，那么共有五种性质不同的象差它们是影响成象清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似程度的畸变。 1、球差 由光轴上某一物点向镜头发出的单一波长的光线成象后，由于透镜球面上各点的聚光能力不同，它不再会聚到象方的同一点，而是形成一个以光轴为中心的对称的弥散斑，这种象差称为球差，如图1-2-10所示。 球差的大小与物点位置和成象光束的孔径角大小有关。当物点位置确定后，孔径角越小所产生的球差也就越小。随着孔径角的增大，球差的增大与孔径角的高次方成正比。在照相镜头中，

10、光圈数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。因此在拍摄时，只要光线强度允许，就应该使用较小的光圈拍照，以便减小球差的影响。 2、彗差 光轴外的某一物点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在象平面上会形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状呈彗星形，即由中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。这种轴外光束引起的象差称为彗差，如图1-2-11所示。彗差的大小是以它所形成的弥散光斑的不对称程度来表示。彗差的大小既与孔径有关，也与视场有关。在拍摄时与球差一样，可采取适当收小光孔的办法来减少彗差对成象的影响。 摄影上一般将球差和彗差所引起的模糊现象称为光晕。在绝大

11、多数情况下，轴外点的光晕比轴上点要大。由于轴外象差的存在，我们对于轴外象点的要求不应该比轴上点高，至多一致，即两者具有相同的成象缺陷，此时我们称等晕成象。随着相对孔径的增大，球差和彗差的校正将更加困难，放在使用大孔径镜头时，应事先了解镜头的性能，注意到那档光圈渐晕最小，在可能情况下，应尽量缩小光孔，以提高成象质量。 3、象散 象散也是一种轴外象基，与彗差不同，它是描述无限细光束成象缺陷的一种象差，仅与视场有关。由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束的会聚点与弧矢细光束的会聚点各处于不同的位置，与这种现象相应的象差，称为象散。子午细光束的会聚点与孤矢细光束的会聚点之间距离在光轴上的投影大

12、小，就是象散的数值。如图l-2-12所示。 由于象散的存在，使得轴外视场的象质显著下降，即使光圈开得很小，在子午和弧矢方向均无法同时获得非常清晰的影象。象散的大小仅与视场角有关，而与孔径大小无关。因此，在广角镜头中象散就比较明显，在拍摄时应尽量使被摄体处于画面的中心。 4、场曲 当垂直于光轴的物平面经光学系统后不成象在同一象平面内，而在一以光轴为对称的弯曲表面上，这种成象缺陷称为场曲。场曲也是与孔径无关的一种象差。由于象散的存在，子午细光束所形成的弯曲象面与弧矢细光束所形成的弯曲象面往往不重合，它们分别称为子午场曲Xt和弧矢场曲Xs，如图1-2-13所示。 用存在场曲的镜头拍照时，当调焦至画面

13、中央处影象清晰，画面四周影象就模糊；而当调焦至画面四周影象清晰时，画面中央处的影象又开始模糊，无法在平直的象平面上获得中心与四周都清晰的象。因此在某些专用照相机中，故意将底片处于弧形位置，以减少场曲的影响。因为广角镜头的场曲总是比一般镜头大，因此在拍团体照时将被摄体作圆弧形排列，就是为了提高边缘视场的象质。 5、畸变 畸变是指物体所成的象在形状上的变形。畸变并不影响象的清晰度，只影响物象的相似性。由于畸变的存在，物空间的一条直线在象方就变成一条曲线，造成象的失真，如图l-2-14所示。畸变分桶形畸变和枕形畸变两种。畸变与相对孔径无关，仅与镜头的视场有关。所以在使用广角镜头时要特别注意畸变的影响

14、。照相机标准镜头常用的光学结构形式 本文简单扼要介绍一般照相机标准镜头经常采用的光学结构形式。 一、单片或双胶合透镜构成的简易镜头 这种简易型镜头由于只采用单片或双胶合透镜构成，因此其象差不可能完善校正，孔径也很小，只能在强光下使用。但由于此类镜头价格特别低廉，特别是近年来已普遍使用光学塑料（PMMA）替代光学玻璃，使其制造成本更为降低。因此，目前市场上的玩具相机、一次性相机大多使用这种简易镜头。 二、三片三组柯克Cooke型镜头 早期由三片分离透镜组成的柯克型镜头，如图1-2-17(a)所示，其光阑位于透镜之间，这种光学结构型式是镜头象差能得以初步校正的最简单结构，象质基本上满足一般普及型相

15、机的要求（镜头等级为23级），且价格比较低。近几年来为了适应自动、袖珍照相机的发展，把通常三片型柯克镜头的光阑由镜头中间移至镜后，使透镜之间密接紧靠，见图1-2-17(b)。由于光阑后移造成的光焦度失对称，使系统存在有较大的轴外球差，不得而已只能采取拦光的办法来保证象差，因此相对来说边缘照度较低，在设计及使用时都需要统筹兼顾。 为进一步降低成本，目前市场上的水货低档照相机大多用光学塑料透镜替代柯克型三片物镜中的某一片（大多为中间一片），此时其相对孔径只能做到1/4.5左右。 三、天塞Tessar型三组四片照相镜头 由柯克型发展起来的天塞型镜头见图1-2-18，它1902年起源于德国的蔡司光学工

16、厂，最早是由著名光学专家鲁道夫（Rudolof）设计的。它用双胶合透镜组代替了柯克型镜头的第三片，所以镜头的相对孔径可以大大提高，在中等视场5060情况下其相对孔径可做到1/3.51/2.8。它是目前国内中档或普及型照相机应用得最广的镜头结构形式。光阑位于第二、第三组之间，构成非对称结构型的正光焦度摄影物镜。引入的胶合透镜组使物镜的象散和轴外均得到了充分改善，因此特别适合于风景摄影。 四、双高斯物镜及其演变形式 双高斯物镜是在具有较大视场（大约40左右）的物镜中，相对孔径最先达到F/2的一种物镜。最初的设计如图1-2-19所示。加入的两个胶合面，使其有可能更好地消除象差。胶合面两边玻璃的色散尽

17、管不同，但折射率近似相等，因此胶合面的加入对单色象差影响不大。基本对称的结构有利于彗差、畸变、倍率色差等垂轴象差的校正，光阑两侧各有一个强凹透镜，有利于球差和象散的校正。 双高斯物镜的复杂化型式，主要是为了增加镜头的相对孔径或者是为了改善镜头的成象质量。最常见的方法是把前面或者后面的正透镜用两个单正透镜来代替，如图1-2-19（a）所示。它可以使轴外的视场高级球差和轴上的孔径高级球差同时减小，可以在较大的视场情况下获得较高的成象质量。 双高斯物镜的另一类复杂化形式是把前、后厚透镜中的胶合面，用分离曲面代替，如图1-2-19（b）所示；或者同时把前面或后面的正透镜分成两个，如图1-2-19（C）

18、所示。程序快门 根据外界被摄景物的亮度变化和所使用的胶片感光度的不同，按照事先设计好的光圈和快门速度组合程序，使胶片获得合适曝光量，而且对一种曝光量只有一种光圈和快门速度组合，这种快门称为程序快门。 一、镜头程序快门 镜头程序快门已与一般镜头快门不同，它的快门叶片兼具光圈叶片的作用。改变快门速度时，光圈数也随之变化。例如，快门速度为1/8s时，对应的光圈数为F2.8；而快门速度为1/500s时，光圈数为F22。它们是按固定的程序组合的。装在平视取景照相机中的程序快门，由于采取光圈叶片和快门叶片合一的结构，改变了原镜头快门的光圈结构，使快门更简单化。镜头程序快门常采用平板状结构，便于与现代照相机

19、中自动调焦、自动卷片、内藏闪光灯等功能进行联动控制。镜头程序快门已作为一个独立的通用部件进行大批量生产，成本大大降低。 镜头程序快门的工作原理和快门叶片的开启、关闭过程与一般镜头快门截然不同。镜头快门不论选用哪一档光圈数，快门开启时总是将快门叶片全部开启到极限位置。不同的光圈仅是光通量不同，快门全曝光时间t1不变。仅因快门光学有效系数略有变化，使有效曝光时间略有变化。而镜头程序快门是光圈和速度同时进行变化。如果在光孔尚未全部开足，叶片就关闭（相当于图1-4-11中ABE、ABE），则改变了光圈又改变了快门速度，相当于程序曲线的AB段。因为在AB段内，叶片未开足光孔，行程缩小，所以程序快门的速度

20、较高，通常可达1/750s。如果程序快门的光孔已开足，不能再增大，仅靠延长曝光时间来实现合适曝光，则此时它就相当于一般的镜头快门，如图1-4-11中的ABCD。它的程序曲线为水平线BC，斜率=1。 二、单镜头反光照相机中的程序快门 在单镜头反光照相机中应用CPU实现照相机曝光的多模式控制。在光圈优先、速度优先的基础上，又增加了程序控制方式，同时实现了光圈和速度二者同时变化，并在单镜头反光照相机中实行不同的程序变换。有通用程序型（平均型）、速度重点型（望远型）、景深重点型（广角型）等不同变换模式，相应有不同的程序曲线和程序斜率值，见图1-4-12。 单镜头反光照相机中的程序快门是焦平面快门型式，

21、结构上与自动曝光控制的电子幕帘和电子钢片快门相同。镜头上的光圈部分，可根据程序特性进行自动调节控制。光圈与速度的变化同时由CPU根据设计程序进行联动控制。电子闪光灯的基本工作特性 以太阳光作为自然光源来进行摄影，通常会受到很大的限制，为此摄影科学工作者研制出了各种摄影用的人工光源。人工闪光光源，大致分为电子闪光灯和闪光灯泡两类。充氮气的电子闪光灯是应用最广的人工闪光光源。目前小型电子闪光灯的使用已十分普遍，它不仅被做成一个易携带的单独产品，而且已被内装在小型照相机中，组成内藏闪光灯照相机。 根据闪光光源从开始点燃到发光结束整个时间内的特性，可将闪光光源分成Xe、MF、M、FP等种，它们的发光特

22、征见图1-6-1。 目前主要应用的是Xe型电子闪光灯，如图1-6-2所示。Xe型电子闪光灯的光谱分布与自然白光相近，色温约为5700K，适合于彩色摄影，且发光效率高，这些特点是Xe型闪光灯获得广泛应用的主要原因。Xe型电子闪光灯管输出的光能量与输入电能成正比。输入的电能E是由充电主电容C和充电电压所决定，以下式表示： E=CU*U/2 闪光灯在闪光期间，其输出的发光强度是变化的，其典型曲线，如图1-6-3所示。 闪光灯闪光达到二分之一峰值强度时至它衰变为同一值时的间隔时间，称为闪光灯的有效闪光持续时间，通常以符号t0.5表示，如图1-6-3所示。调焦与测距原理 一、调焦原理 实际照相时，被照物

23、体与照相机的相对距离，每次总是有变化的。由高斯公式1/l-1/l=1/f可知，对于不同的照相距离l，其照相光学系统的象距l也将随着变化。为了使不同距离的被摄物体能够正确地成象在焦平面（即胶片平面）上以得到清晰的影象，必须随时调整镜头与胶片平面之间的距离l来适应物距l的变化。镜头的这种调整过程就称为调焦。为了正确地进行调焦，一般在调焦前还要测定出被摄物体到胶片平面之间的距离，这个过程便称为测距。 二、照相机镜头的调焦方式 照相机镜头的调焦通常采用下述三种方式来进行： (1)改变象距的调焦方式 照相机镜头对无穷远物体对焦时，它成象在镜头的焦平面上，即l=f。当摄影距离缩短成有限距离时，如7m，3m

24、，(指被摄体到照相机胶平面之间的距离)，象距l都会拉长。实际上135照相机的胶片位置是相对不变的，因此只能将整个镜头向前伸出有限距离x，此增大量只有这样才能保证象点正确地落实在胶片平面上，以保持象面的清晰度。这种保持镜头焦距不变而改变象距的调焦方式又称整组调焦。此增大量x称调焦量。 这种调焦方式在使用时，只需转动镜头上的调焦环，调焦环上刻有与调焦量对应的底片与被摄景物之间的距离标尺，调焦环带动镜筒上的多头螺纹，让镜头产生轴向移动，使镜头的焦点落实在胶片平面上。由于是整组移动镜头，镜片之间的相对位置固定不变，因此能始终保持镜头的成象质量处于最佳状态。 (2)改变焦距的调焦方式 这种调焦方式是通过

25、移动镜头中某组镜片的轴向位置，从而稍微变动了镜头的焦距，以使物距变化时能保持象距不变。图1-3-1为前组调焦示意图，它是最常采用的调焦方法之一。可以前组单片调焦，也可以前组一齐移动调焦。此外还有采用中组或后组的调焦形式。 这种调焦方式的优点是调焦时整个镜头可保持不动，调焦量小，调焦机构也较简单。变焦镜头由于镜片多，体积大，整组移动有困难，往往多采用这种方式调焦。 (3)固定焦点方式 目前市场上供应的简易型照相机的镜头位置大多是固定不变的。即不管物距多少，照相机的镜头与胶片之间的距离始终固定不动，这种调焦方法称为固定焦点法。尽管这样，由于限制了弥散圆的大小，照相机的拍摄质量也还是有一定保证，实际

26、上此类照相机是利用“景深”调焦，又称超焦距法。 三、照相机的调焦方法 无论采用何种调焦方式，我们都必须使被摄体的物距l和象距l满足高斯公式，只有这样才能在胶片平面上获得清晰的象。通常用下述方法来获得正确的调焦。 1、测距法 这种方法是首先测出被摄体至胶片平面之间的距离，根据调焦方式确定此时的调焦量，然后再使整个镜头或前组作相应的转动，以使在胶片平面上获得清晰的影象。 根据测距方式的不同又可分为估测法和三角测量法： (1)估测法 就是摄影者根据目测或步量的形式，首先确定摄影距离，并据此来转动或调节镜头上的调焦环，使其距离刻度或远景、中景、近景标记与镜头上的基准标记对准。这种调焦方法用在镜头焦距较

27、短。相对孔径较小的照相机上，可获得足够清晰的照片。 (2)三角测量法 就是利用数学中的三角关系来进行测距、调焦。主要应用于带测距器的照相机中，这种照相机的测距和调焦是联动的，只要使取景器中的双象重合，测距和调焦即告完成。这种方法可以使镜头得到准确的调焦，从而保证底片上影象的清晰度。此方法常用在带有逆伽利略式取景器的照相机上。 三角测量法的工作原理，如1-3-2所示。当物体在无穷远()时，进入反射镜3的光线与取景系统光轴是平行的，此时光线经反射镜3、半透镜5和目镜4进入眼瞳后，其影象与取景器所成的影象是重合的。当物体处于有限距离时，物体进入反射镜3的光线与取景系统光轴不平行，此时光线经反射镜3、

28、半透镜5和目镜4进入眼瞳后，其影象与取景器所成的影象不重合，在观察时就出现两个影象。只有使反射镜3摆动一个角度才能使影象重合。设此时物体对基线上A、B两点之夹角为，这样就可得出 lb/tg，2 当基线b一定时，即可根据反射镜3摆动角度，测出物体距照相机的距离l。 (3)视差 由于旁轴取景器的取景光轴位于摄影镜头光轴的旁侧，故视界范围有所偏移，如图1-3-3所示，因此有视差存在。 设取景器光轴与摄影镜头光轴相距为v。当对物距l的物平面摄影时，在胶片上的成象范围为 TT，而取景范围却是SS。此时取景光轴上的点P通过摄影镜头成象，其象点不在胶片中心O，而是偏离一个距离，称为视差量。 由相似三角形关系

29、，有 /v=l/l， =lv/l 又由几何光学可知 1/l+1/l=1/f 于是可有 =vf/(l-f) 式中，v与f为结构常数，因此视差量随物距l而变化。l越大，视差就越小。当对无限远处调焦时，l- ，由视差-0。 2、聚焦检测法 这种方法是通过人眼观察象面或对焦板上的影象是否清晰来判断聚焦是否合适的方法。它又分为对比法和裂象法。 (1)对比法 当我们观察一个景物的轮廓时，影象轮廓边缘越清晰，则它的亮度梯度就越大，或者说景物边缘处与它的背景之间的对比度就越大。反之，离焦的象，它的轮廓边缘就模糊不清，亮度梯度或对比度就下降。如毛玻璃对焦板就是采用这种方法，如图1-3-4所示。图中(1)是微圆锥

30、毛玻璃调焦，(2)是普通磨砂毛玻璃调焦。图(a)是焦点和象面重合时的情况，图(b)是焦点偏离象面较小的情况，图(c)是焦点偏离象面较大的情况。 (2)裂象法 在对焦板位置上放置裂象光楔或微棱镜，当焦点正好位于裂象光楔的交点上或微棱镜的顶点上的时候，我们看到的只是一个清晰的象点；当焦点偏离上述位置时，通过裂象光楔看到的是两个分开的象，而通过微棱镜看到的则是许许多多分开的象，造成一种影象模糊的感觉。用裂象光楔和微棱镜对焦板对焦就是根据这个原理进行的。 因为对焦平面与胶片平面完全共轭，人们只需通过眼睛来观察相当于胶片成象平面的对焦屏。只要对焦屏上的裂象重合和微棱区影象是清晰的，则胶片平面上的象必然清晰；反之亦然。 对焦屏可以做成不同的结构形式，如毛玻璃表面状、微圆锥面状、微棱镜状、带裂象光楔的、带环带透镜的，等等。 聚焦检测的调焦方法主要应用于单镜头反光照相机上。焦平面快门 焦平面快门安装在紧靠照相机胶片前的位置上，即在照相镜头的视场光阑附近。焦平面快门有两组起遮光作用的前帘和后帘。快门上弦时，前后帘有一部分相互重叠在胶片前通过，不会使胶片曝光。快门释放时，前后帘之间形成一定的缝隙，此缝隙以一定的速度在胶片前面走过，使胶片逐次进行曝光。缝隙的宽窄可以调节，以实现不同的曝光时间。 一、