光学基础之光学系统-光学成像公式及摄像物镜知识介绍.docx

1.光学基础

本章将介绍光学系统的成像公式和光学系统的基本形式、辐射度量的定义和单位、光学度量的定义和单位、色度量的述语、国际标准(CIE)色度系统和光源系统。以上为设计机器视觉系统建立基础。

1.1光学系统

1.1.1光学成像公式

理想光学系统的成像公式

成像的几何关系

见图1.1—1,图中也给出了各符号的定义。

图1.1—1理想光学系统的成像

物像公式

物距

式中B为物面宽度，b为像面上探测器宽度。

视场

2w=2arctg

光学系统的视场有以下几种，见表1.1—1。

表1.1—1

光学系统

望远系统

远距摄像

标准物镜

宽视场

超宽视场

视场

6°

12°

46°

65°

>100°

视场取决于CCD的规格化敏感面尺寸和物镜的焦距，如图1.1—2所示。

图1.1—2视场和规格化敏感面尺寸

孔径

物镜的常用孔径如表1.1—2所示，并且常刻在镜头的前端上。

表1.1—2

F0.7 1 1.4 2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 32

焦深

△f=±

2

式中人为观测波长。

垂轴放大率

见图1.1—3

（9）轴向放大率

n

a=p2—

n

图1.1—3垂轴放大率

1.1.2摄像物镜

摄像物镜的种类繁多，分类方法也各不相同，下面仅列举出一些常用的摄像物镜形式，常用不同类型摄像物镜的主要参数示于表1.1—3中。

表1.1—3常用摄像物镜的主要参数

f(mm)

F

2①(o)

Petzval型

1—4.5

三片型

1—5.6

40—50

双高斯型

0.8—2

40

有

R准物镜

50

1.4

46

广

topgon型

17,20

5.6—6.5

90—100

角

pyccap型

17,20

5.6—8

120

物

同心物镜

17,20

2

130

镜

鱼眼型

7.5,15

2.8

180—270

折反射型

0.75

缩微物镜

NA>0.25

15

远摄物镜

4

12

远距物镜

2.8—4

60—90

反远距物镜

2.5—4

>180

畸变物镜

22

75—46

变焦距物镜

28—50

3.5

下面便按照表1.1—8的顺序介绍常用摄像物镜的基本型结构及其主要参数。在这些基本型结构的基础上还出现了许多改进型。

1)Petzval物镜

Petzval物镜是由彼此分开的两个正光焦度透镜组所组成的，如图1.1—4所示。它的特

点是孔径大而视场小，例如，f'=100mm时，F数=1.6,而2w=10°2)三片型物镜

典型三片型物镜是柯克三片型物镜，它由三个单透镜“正、负、正”组成，见图1.1—5,

它的视场比petzval型物镜的大，而相对孔径却要小些，例如，f'=75mm时，2?=10°，

F数=4.5.

图1.1—4petzval物镜

图1.1—5三片物镜

3）双高斯型物镜

大孔径摄像物镜（系指F数＜2），经常采用双高斯型物镜及其改进物镜，其基本结构型式如图1.1—6所示。这是一种用厚透镜来校正像面弯曲的系统。

当物体位于二倍焦距位置，光栏位于系统的中间，双高斯型物镜结构完全对称于光栏时，垂轴像差可以自动消除。完全对称结构的双高斯型物镜，其半部由弯月形的厚透镜和一个单正透镜所组成。厚透镜用于校正林，单透镜的弯曲用于校正S］。两个半部之间的间距用于校正S/在厚镜中引入一个胶合面来校正色差（ci）0这样，结构完全对称的一倍成像系统，七种初级像差就得到校正了。

双高斯型物镜的主要缺点是轴外高级负球差和高级正像散较大。典型双高斯物镜例的参

数为：f'=50mm，F数=2,

数为：f'=50mm，F数=2,

而2s=50°

4）广角物镜

广角物镜的视场超过60

，而视场超过100°的物镜则称为超广角物镜。

广角物镜大都采用对称结构，光栏位于镜组中央，镜片相对光阑对称，如图1.1-7至1.1一12所示。镜片相对光阑对称排列可以消除畸变，这对于扩大物镜视场是十分有利的。

最早出现的对称物镜是Hypogon物镜，见图1.1一7,它仅由两片对称的正透镜组成，相对孔径很小。

在Hypogon物镜的里面加入一组对称于光阑的负透镜就得到如图1.1-8所示的Topogon物镜，它的相对孔径为1：6.3，视场角为100°，畸变为0.3%。

另一类对称型广角和超广角物镜是著名的Pyccap物镜，它的半部可以看作是Hill全天物镜，如图1.1-9所示。而Hill物镜则可看作是鱼眼物镜的雏型。Pyccap物镜是把Hill物镜对称于光阑重叠起来，如图1.1-10所示。它的相对孔径为1：8，视场角为122°，而

畸变显著减小到0.07%，是用于航空摄像测量最优良的