安防摄像机镜头成像几何光学基础课件.ppt
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- 摄像机 镜头 成像 几何 光学 基础 课件
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1、几何光学基础之镜头成像几何光学基础之镜头成像2 目录v透镜简介v透镜成像的误差及补偿v变焦距镜头3一、透镜简介v透镜是构成光学系统最基本的元件,它具有广泛的成像特征,能满足对物体成像的各种要求。它由两个折射面包围一种透明介质形成。折射面可以是球面(包括平面)和非球面。因球面加工和检验较简单,所以透镜折射面多为球面。v透镜按照形状不同,分为双凸、平凸、正弯月、双凹、平凹、负弯月。我们常用的镜头就是由这六种基本的透镜构成。4二、透镜成像的误差及其补偿 除了平面反射镜之外,任何光学系统成像都是有误差的。这种实际光学系统所成的像和近轴区理想成像的差异既为像差。常见像差有下列几类:v 球差球差v 几何失
2、真几何失真v 色差色差 v 慧差v 像散v 场曲5球差 为凸透镜孔径较大时,从轴上物点P发出的单色光束。通过透镜时,由于凸透镜的边缘部分比中心部分弯曲的厉害些,所以通过边缘部分的光线比近轴光线折射的严重,致使边缘部分的光线含聚于焦点F之前的F的点,因此在焦点处形成了一个中心亮、边缘模糊的小图盘,而不是很清晰的小亮点,这样的像差称为球差。6色差 如图,轴上一点P发出的光为复色光,由于玻璃对不同波长的光折射率略有不同,因此不同波长的光不能会聚于一点,如图上蓝光因波长较短成像于QF点,而红光因波长较长成像于QC点。这样形成的像差称为色差,表现为图像边缘有彩色镶边。7几何失真 这种失真影响像与物的几何
3、相似性,一般有桶形失真和枕形失真。v桶形失真 这种失真也称正失真,它是由于在物与透镜之间放置了一个光阑而形成的像差。其特点是整个像面的四个角向中心收拢,显得中间向外凸,如图 8 v枕形失真 这种失真也称负失真,它是固在透镜与像点之间放了一个光阑而形成的像差。其特点是整个像面的四个角向外拉伸,与桶形失真真正相反,如图 9其它v慧差:慧差是轴外物点以宽光束成像时光束失去对称性而形成的像差。它使轴外像点变成彗星状弥散斑,严正破坏了像的清晰度。因此,任何一个具有一定大小孔径的光学系统都必须很好的校正慧差。v像散:远离主轴的物点发出的立体窄光束形成像散性像差。将垂直于主轴的观察屏沿光轴移动时会发现,像平
4、面所形成的弥散斑的形状随屏位置的不同而不同。v场曲:对于较大的发光平面,即使消除了像差,其所形成的像还是不能与主轴垂直,而是一个抛物面形的像面,这种现象叫做视场弯曲即场曲。正透镜的像面向着物体弯曲,负透镜的像面背着物体弯曲10像差的补偿 v凹透镜也会产生球差和色差,但其性质与凸透镜形成的像差正好相反。如凹透镜对边缘光线的外折射较大,正好可以补偿凸透镜的球差,如右图 v又如凹透镜对复色光中的波长较短的光向外折射大,正好补偿凸透镜的色差,如右图 v因此,只要将凹透镜与凸透镜适当的组合起来,既可以消除像差,又不含改变透镜成像的功能。如下图,为实际使用的双透镜组和胶合双透镜。11 v几何失真的补偿:我
5、们看到,当光阑位置不同时,透镜产生的失真正相反。实际光学系统中有多个透镜,如果把光阑放在两个透镜中间,则两个透镜产生的失真相互抵消。v技术前沿:除传统的球面镜头外,新一代的是非球面镜头(Aspherical Lens),镜片研磨的形状为抛物线、二次曲线、三次曲线或高次曲线,并且在设计时就考虑到了镜头的相差、色差、球差等校正因素,通常一片非球面镜片就能达到多个球面镜片矫正像差的效果,因此可以减少镜片的数量,使得镜头的精度更佳、清晰度更好、色彩还原更为准确、镜头内的光线反射得以降低,镜头体积也相应缩小。非球面镜头具有变倍高、物距短、光圈大的特点。变倍高可以简化镜头的种类,物距短可以应用在近距离摄像
6、的场合,光圈大则可以适应光线较暗的场所,因此应用领域日渐宽广。12三、变焦距镜头三、变焦距镜头 用摄像机拍摄景物时,既要看到它的全貌,又要看到它的细节,这就要求摄像系统能提供全景和特写等不同的场面;有时要跟踪拍摄活动的图像时,又希望活动的图像大小不变,这就需要摄像系统具有可变焦距的功能。在介绍变焦镜头之前先介绍下面有关透镜的知识:v成像面与焦距的关系为成像面与焦距的关系为:1/f=1/s+1/s 式中:s物距;s像距;f焦距。由于一般物距s焦距f,所以上式近似为:s=f (31)即摄像管的靶面位置 s近似等于焦点f,而且当f改变时,s也变,即成像面改变。13 v成像大小与焦距的关系为:成像大小
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