摄影系统及其物镜的光学成像特性

正文

摄影系统及其物镜的光学成像特性

摄影系统的工作原理

摄影系统主要由摄影镜头、可变光阑和感光底片三部分组成。摄影镜头将位于无限远或准无限远的景物成像在感光底片上，可变光阑起到调节光能量以适应外界不同照明条件的作用。其系统结构如图所示。

摄影系统中，可变光阑即为系统的孔径光阑，底片框为视场光阑。为保证轴外光束的像质，可变光阑的实际位置大致设在摄影物镜的某个空气间隔中。孔径光阑的形状一般为圆形，而视场光阑的形状为圆形或矩形等。

摄影物镜的光学成像特性

摄影物镜的光学成像特性主要由三个参数决定，即焦距 f' 、相对孔径 D/f' 和视场角 2ω。

焦距 f'

物镜的焦距决定了物体在接收器上成像的大小。用不同焦距的物镜对同一位置物体进行成像时,焦距越大,所得的像也越大。

为满足各种成像要求，物镜焦距值相差很大，短的只有几毫米，长的达数十米。变焦镜头，当其焦距改变时，可以获得不同放大倍率的像。

相对孔径 D/f'

物镜人瞳的直径与其焦距之比称为物镜的相对孔径，用 D/f' 表示。相对孔径的大小决定了特镜的分辨率、像面照度和成像质量。

摄影物镜的分辨率用单位长度（1mm）内可以分辨出的线对数N来表示.，摄影物镜的理论分辨率完全由相对孔径决定，相对孔径越大，镜头的分辨率就越高实际上，在视场边缘，分辨率有所下降，再加上像差的影响，实际分辨率还会更低。此外，物镜的辨率还与被摄物的对比度有关，同一物镜对不同对比度的目标（分辨率板）进行测试，其分辨率值不同。

依据光度学理论，摄影系统视场中心的像面照度与相对孔径的平方成正比，相对孔径越大，像面照度越大。轴外像点的照度与像方视场角ω'有关。大视场物镜视场边缘的照度急剧下降。

在摄影物镜的外镜简上标示有与相对孔径对应的数字。数字为相对孔径的倒数，俗称为光圈或光圈数F。

视场角 2ω

物镜的视场角决定了能在接收器上成良好像的空间范围。当物镜焦距一定时，视场角越大，成的像也越大。当接收器尺寸一定时，焦距越长，视场角越小。

决定摄影物镜特性的三个参数之间，有着相互制约的关系，这主要反映在像差的校正上。所谓像差，即光学系统成像时实际像与理想像之间的差异。当物镜的相对孔径和视场角一定时，像差与焦距成正比。但像差的容限并不因焦距的增大而放宽，所以必须减小相对孔径的值，以满足长焦距的要求。另外，对于大相对孔径的物镜来说，同时要求大视场是难于实现的。实际上，常根据物镜的具体用途满足其主要的性能参数即可。

按照用途不同，摄影系统物镜可分为普通摄影物镜、大孔径摄影物镜、广角摄影物镜、远摄物镜和变焦距物镜等五种。

在光电图像转换系统中，为了充分利用物镜的分辨率，物镜的光谱特性应与使用条件密切配。即要求物镜的最高分辨率光线应与照明波长、图像转换器件的接收波长相匹配，并使物镜对该做长的光线的透过率尽可能地提高。

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