1光學(xué)基礎(chǔ)本章將介紹光學(xué)系統(tǒng)的成像公式和光學(xué)系統(tǒng)的基本形式

1、1光學(xué)基礎(chǔ)本章將介紹光學(xué)系統(tǒng)的成像公式和光學(xué)系統(tǒng)的基本形式、輻射度量的定義和單位、光學(xué)度量的定義和單位、色度量的述語、國際標(biāo)準(zhǔn)（CIE）色度系統(tǒng)和光源系統(tǒng)。以上為設(shè)計機器視覺系統(tǒng)建立基礎(chǔ)。1.1 光學(xué)系統(tǒng)1.1.1光學(xué)成像公式理想光學(xué)系統(tǒng)的成像公式（1）成像的幾何關(guān)系見圖 1.11，圖中也給出了各符號的定義。2）物像公式3）物距式中B為物面寬度，b為像面上探測器寬度。4）視場2 = 2a rc tg光學(xué)系統(tǒng)的視場有以下幾種，見表 1.11表 1.1 1光學(xué)系統(tǒng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)距攝像標(biāo)準(zhǔn)物鏡寬視場超寬視場視場6124665100視場取決于CCD的規(guī)格化敏感面尺寸和物鏡的焦距，如圖1.12所示。圖 1.

2、12 視場和規(guī)格化敏感面尺寸5）孔徑物鏡的常用孔徑如表1 . 1 2所示，并且常刻在鏡頭的前端上。表1.12F 0.711. 422. 845. 681 116223 27）焦深A(yù)f =18ns ii22式中九為觀測波長。8）垂軸放大率見圖 1.139）軸向放大率圖 1.1 3 垂軸放大率1.1.2攝像物鏡攝像物鏡的種類繁多,分類方法也各不相同,下面僅列舉出一些常用的攝像物鏡形式 常用不同類型攝像物鏡的主要參數(shù)示于表1.13中。表 1.1 3 常用攝像物鏡的主要參數(shù)2e(o)f(mm)廣角物鏡Petzval 型三片型雙高斯型標(biāo)準(zhǔn)物鏡topgon 型pyccap 型同心物鏡魚眼型5017, 20

3、17, 2017, 207.5, 151 4.51 5.60.8 21.45.66.55.6822.84050404690 100120130180270折反射型0.75縮微物鏡NA 0.2515遠(yuǎn)攝物鏡412遠(yuǎn)距物鏡2.846090反遠(yuǎn)距物鏡2.54180畸變物鏡227546變焦距物鏡28503.5下面便按照表 1.18 的順序介紹常用攝像物鏡的基本型結(jié)構(gòu)及其主要參數(shù)。在這些基本型 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上還出現(xiàn)了許多改進(jìn)型。1)Petzval 物鏡Petzval 物鏡是由彼此分開的兩個正光焦度透鏡組所組成的，如圖 1.14 所示。它的特點是孔徑大而視場小，例如，f=100mm時，F(xiàn)數(shù)=1.6,而2w=

4、10三片型物鏡典型三片型物鏡是柯克三片型物鏡，它由三個單透鏡“正、負(fù)、正”組成，見圖1.15，它的視場比petzval型物鏡的大，而相對孔徑卻要小些，例如，f=75mm時，2 =10,圖 1.1 4petzval 物鏡3）雙高斯型物鏡大孔徑攝像物鏡（系指F數(shù)2 ）,經(jīng)常采用雙高斯型物鏡及其改進(jìn)物鏡，其基本結(jié)構(gòu)型 式如圖 1.16 所示。這是一種用厚透鏡來校正像面彎曲的系統(tǒng)。當(dāng)物體位于二倍焦距位置，光欄位于系統(tǒng)的中間，雙高斯型物鏡結(jié)構(gòu)完全對稱于光欄時，垂 軸像差可以自動消除。完全對稱結(jié)構(gòu)的雙高斯型物鏡，其半部由彎月形的厚透鏡和一個單正 透鏡所組成。厚透鏡用于校正S,單透鏡的彎曲用于校正S。兩個半

5、部之間的間距用于校 正S。在厚鏡中引入一個膠合面來校正色差（C）。這樣，結(jié)構(gòu)完全對稱的一倍成像系統(tǒng)，雙高斯型物鏡的主要缺點是軸外高級負(fù)球差和高級正像散較大。典型雙高斯物鏡例的參 數(shù)為：f=50mm, F 數(shù)=2,而 2 = 50 。4）廣角物鏡廣角物鏡的視場超過60，而視場超過 100的物鏡則稱為超廣角物鏡。廣角物鏡大都采用對稱結(jié)構(gòu)，光欄位于鏡組中央，鏡片相對光闌對稱，如圖1.17至 1.1 12 所示。鏡片相對光闌對稱排列可以消除畸變，這對于擴(kuò)大物鏡視場是十分有利的。 最早出現(xiàn)的對稱物鏡是 Hypogon 物鏡，見圖 1.17，它僅由兩片對稱的正透鏡組成，相對 孔徑很小。在 Hypogon

6、物鏡的里面加入一組對稱于光闌的負(fù)透鏡就得到如圖 1.1 8 所示的 Topogon 物 鏡，它的相對孔徑為1：6.3，視場角為 100，畸變?yōu)?0.3。另一類對稱型廣角和超廣角物鏡是著名的Pyccap物鏡，它的半部可以看作是Hill全 天物鏡，如圖1.19所示。而Hill物鏡則可看作是魚眼物鏡的雛型。Pyccap物鏡是把Hill 物鏡對稱于光闌重疊起來，如圖1.110 所示。它的相對孔徑為1：8，視場角為122，而圖 1.1-8 Topgon 物鏡圖 1.1 10 Pyccap 物鏡 同心物鏡指所有球面具有同一個曲率中心的物鏡。這種物鏡成像在凹球面上。這個凹球面的 表面曲率中心就是入射光瞳和出

7、射光瞳，因而也就是孔徑光闌的中心。主光線無折射地通過 并且具有光線沿光軸通過的性質(zhì)。軸上光束和傾斜光束也是相同的（圖1.111 所示）因此 像差校正歸結(jié)為球差校正。彗差、像散和畸變在同心物鏡中是沒有的。同心物鏡的特點是廣角（2 130）和很大的相對孔徑（1： 2）。很多廣角和超廣角物鏡，乃至魚眼物鏡，都是對前組進(jìn)行復(fù)雜而獲得的。圖1.112 所示的魚眼物鏡，它的相對孔徑為1： 2.8，視場角為 180 ，而畸變?yōu)?00。有的魚眼物鏡的視場角更大，甚至高達(dá)270。5）折反射型物鏡當(dāng)焦距很長時，折反射型物鏡與折射式物鏡相比，像差容易校正，尤其是二級光譜可 以消除。而且因光路折疊，可以得到特別緊湊的

8、結(jié)構(gòu)。簡單的折反射型物鏡，采用球面或非球面的校正板來校正反射鏡的球差。圖1.113 所示的結(jié)構(gòu)型式稱為 Schmidt 系統(tǒng)，前面是一塊非球面校正板，稱為 Schmidt 校正板，它的 相對孔徑可達(dá)1： 0.75，視場角為15。圖1.1 14所示的結(jié)構(gòu)型式稱為MadcyTOB系統(tǒng)， 是MadcyTOB用彎月形透鏡代替了 Schmidt校正板。它的性能與Schmidt系統(tǒng)相似。圖 1.1 14 帶有 MakcyTOB 彎月形透鏡的折反物鏡與此相類似的結(jié)構(gòu)是A。Bouwers的共心系統(tǒng)，如圖1.1 15所示。這種共心系統(tǒng)的 相對孔徑高達(dá)1：0.65。用于全景攝像機上，如果接收器也是共心的同心圓，那

9、么在限定的 某一方向，視場角甚至可達(dá)1 80 。折反射型物鏡的缺點是存在中心遮攔，遮攔比通常為2030。中心遮攔往往降低成 像層次，并且反差較大，這也是折反射系統(tǒng)不能普遍應(yīng)用的原因之一。6）縮微物鏡微縮物鏡屬于具有平像場顯微物鏡像質(zhì)的物鏡，即要求全視場內(nèi)的波像差應(yīng)小于 /4、 出射光瞳為遠(yuǎn)心、軸外無漸暈、基本無畸變的物鏡。實用的縮微物鏡，基本上屬于雙高斯型 的改進(jìn)型?？s微物鏡的像質(zhì)應(yīng)達(dá)到衍射極限，它的數(shù)值孔徑NA20.25。軸外光束孔徑角較大，也 應(yīng)當(dāng)有很好的成像質(zhì)量。即不僅在加大孔徑角時，要降低軸外高級負(fù)球差，而且應(yīng)避免非對 稱性像差的出現(xiàn)。為此，光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式在采取復(fù)雜化的雙高斯型式時，也就是把前后 組的單塊正透鏡各由一塊分裂為兩塊時，前組的光焦度要適當(dāng)?shù)赝怅@后半部移。復(fù)雜化的 雙高斯型后半部的最后一塊透鏡是背向光欄彎曲的，如圖1.116所示。其目的是控制上光 線在像方空間的收斂度，同時產(chǎn)生較大的負(fù)像散。在復(fù)雜化的雙高斯型物鏡前方加一組無光焦度校正板，其目的不但為了滿足校正畸變 在萬分之幾以內(nèi)的需要，而且還可以利用它，來校正軸外高級正彗差。圖 1.1