安防摄像机镜头成像-几何光学基础ppt课件.ppt

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1、几何光学基础之镜头成像目录透镜简介透镜成像的误差及补偿变焦距镜头一、透镜简介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。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。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：球差几何失真色差慧差像散场曲球差为凸透镜孔径

2、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。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。几何失真这种失真影响像与物的几何相似性，一般有桶形失真和枕形失真。桶形失真这种失真也称正

3、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，如图其它慧差：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。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，像平面所形成的弥散斑的形状随屏位置的不同而不同。场曲：对于较大

4、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像差的补偿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。几何失真的补偿：我们看到，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

5、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。技术前沿：除传统的球面镜头外，新一代的是非球面镜头(AsphericalLens)，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的场合，光圈大则可以适应光线较暗的场所，因此应用

6、领域日渐宽广。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：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（3—1）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。成像大小与焦距的关系为：m=s’/s式中：m—透镜放大率将（3—1）式代入，则有：m=f/s(

7、3—2)即放大率是焦距与物距的函数。当s=常数时，m与f成正比，即像大小随焦距f变化。因此在拍摄活动景物时，为使成像大小不变，在景物远时（s大），拉长焦距（f↑）；当景物近时（s小），应缩短焦距（f↓）视场角与焦距的关系视场角即拍摄范围，它是在镜头主平面的轴心处看景物或像的线长度（H1或H2）时所张的角度，如下图中的θ角。由正切函数和反函数的关系，求出θ角：θ=2tg-1H1/2S=2tg-1H2/2S’已知S’=f代入：则θ=2tg-1H2/2f(3—3)即当成像大小H2确定后，视场角θ就只于焦距f有关。若f短，