![]() |
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
МОСКОВСКИЙ КИНОВИДЕОИНСТИТУТ- филиалСтр 1 из 13Следующая ⇒
МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ " САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ" МОСКОВСКИЙ КИНОВИДЕОИНСТИТУТ- филиал Кафедра киновидеотехники ОПТИКА И СВЕТОТЕХНИКА КУРС ЛЕКЦИЙ
Москва 2012г.
Составитель: ктн Блохин А.С. Рецензент: Зав. кафедрой киновидеотехники, профессор Полываный А.Г.
Рекомендовано к изданию кафедрой киновидеотехники МКВИ в качестве методических указаний для студентов всех специальностей Протокол №2 от 05.10 2012г.
© МКВИ, 2012 © Блохин А.С. ВВЕДЕНИЕ Настоящий курс состоит из 12 лекций, посвященных вопросам оптики и светотехники, а также взаимодействию зрительного анализатора человека с современными оптическими и светотехническими приборами. Представлен детальный анализ современных технологий и приборов, используемых в оптике и светотехнике применительно к кинотехнологиям и видеотехнологиям. Подробно рассмотрены вопросы восприятия человеком визуальной информации, рассмотрены модели прохождения информации в зрительных анализаторах человека. На основании рассмотренных моделей сформулированы требования к «идеальным» технологиям отображения информации, наиболее полно отвечающим характеристикам соответствующих человеческих органов восприятия визуальной информации. Вместе с этим подробно рассмотрены тенденции развития современных технологий отображения визуальной информации, показаны взаимозависимости восприятия визуальной информации. Значительное внимание уделено вопросам экологической безопасности при работе с современными средствами отображения, приведены рекомендации по выбору оптимальных технологий в зависимости от поставленных задач. Настоящий курс лекций представляет интерес для студентов и аспирантов, специализирующихся в области кинематографических и телевизионных технологий, а также для специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией современных средств отображения визуальной информации. Лекция 1. Основные свойства световых полей Световым полем называют электромагнитное поле в оптическом диапазоне частот. Оптические частоты чрезвычайно велики (порядка
Для частот, более низких, чем частоты оптического диапазона, нельзя построить оптические системы по законам геометрической оптики, а электромагнитное поле более высоких частот, как правило, либо проходит сквозь любое вещество, либо разрушает его. Оптический диапазон состоит из следующих видов излучения: рентгеновское, ультрафиолетовое (УФ), видимое, инфракрасное (ИК). Если во времена Ньютона в оптический диапазон входило только видимое излучение, то с техническим прогрессом диапазон существенно расширился, причем рентгеновское излучение включено в оптический диапазон совсем недавно – примерно 20 лет назад. Не исключено дальнейшее расширение оптического диапазона. На рис.1. показан участок шкалы электромагнитного излучения в длинах волн, соответствующий оптическому диапазону. Границы оптического диапазона, а также границы между его участками установлены на основе экспериментальных данных и не являются абсолютно точными. Рис. 1. Оптический диапазон.
Закон отражения Закон отражения можно вывести в векторной форме аналогично закону преломления, подставив вместо оптического вектора преломленного луча Рис.3. Отражение света на границе двух сред. Закон отражения: Закон отражения можно вывести как частный случай закона преломления при Рис.4. Отражение света на границе двух сред. Полное внутреннее отражение Если угол падения
Условие полного внутреннего отражения: Явление ПВО широко используется в оптической технике благодаря тому, что при ПВО отражается 100% энергии, то есть потерь энергии нет. Таким образом, ПВО позволяет решить задачу полного отражения света: в зависимости от угла падения луч или почти полностью проходит, или почти полностью отражается. Нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО), которое возникает при оптическом контакте границы раздела со средой, используется в спектроскопии. Угол Брюстера При угле падения таком, что Угол, при котором происходит полная поляризация при отражении, называется углом Брюстера: Можно наглядно показать различия зависимостей коэффициентов отражения света от границы раздела двух сред для двух случаев поляризации. Для этого строится график зависимости Рис.3.3.2. График зависимости коэффициентов отражения Описание оптических систем Оптическая система – это совокупность оптических сред, разделенных оптическими поверхностями, которые ограничиваются диафрагмами. Оптическая система предназначена для формирования изображения путем перераспределения в пространстве электромагнитного поля, исходящего из предмета (преобразования световых пучков). Преобразование световых пучков в оптической системе происходит за счет преломления и отражения света поверхностями, а также за счет ограничения пучков диафрагмой. Кроме того, пучки света могут преобразовываться за счет дифракции. В наиболее общем случае оптическая система может состоять из следующих функциональных элементов:
Оптические среды Оптические среды – это прозрачные однородные среды с точным значением показателя преломления (с точностью до 4-6 знаков после запятой). В качестве оптических сред в оптических системах в основном применяют: · воздух (вакуум) · оптические стекла – точно известны их показатели преломления и различные оптико-физические свойства; · оптические кристаллы – работают в более широком диапазоне длин волн, чем стекла. Оптические системы используются в широком интервале длин волн (от УФ до ИК), поэтому важно знать показатели преломления стекол и кристаллов для разных длин волн. Дисперсия оптических материалов – это зависимость показателя преломления от длины волны. Все стекла отличаются друг от друга характером зависимости показателя преломления от длины волны. Можно описывать оптические материалы либо значениями коэффициентов дисперсионной формулы, либо непосредственно значениями показателя преломления для различных длин волн.
Оптические поверхности Оптическая поверхность – это гладкая регулярная поверхность точно известной формы. Поверхности могут быть:
Чаще всего в оптике применятся плоские поверхности и сферические поверхности. Для сферических поверхностей задается один параметр поверхности – радиус кривизны При компьютерных расчетах удобно использовать не радиус кривизны, а кривизну поверхности: Форма оптических поверхностей должна выдерживаться с точностью меньше длины волны. В идеальных оптических системах отклонения от идеальной формы поверхности не должны превышать Плоские и сферические поверхности изготавливаются достаточно просто (методом притирки), и поэтому именно их чаще всего используют в оптических системах. Асферические поверхности используются редко из-за сложности их изготовления и контроля, так как у них различная величина радиуса кривизны по различным направлениям. В настоящее время существуют технологии изготовления асферических поверхностей на станках с программным управлением. Получение точного профиля асферической поверхности возможно только методом ретуши.
Основные положения Оптические системы в основном предназначены для формирования изображения (изображающие оптические системы). Для таких систем вводится понятие предмета и изображения. Для оптических систем, не строящих изображение, понятие предмета и изображения вводится условно. В геометрической оптике предмет – это совокупность точек, из которых выходят лучи, попадающие в оптическую систему. Из каждой точки предмета выходит гомоцентрический пучок лучей. Вся возможная совокупность точек (от Оптическая система делит все пространство на две части: · пространство предметов, · пространство изображений. Плоскость предметов и плоскость изображений – это плоскости, перпендикулярные оптической оси и проходящие через предмет и изображение. Сопряженные точки В геометрической оптике любой точке пространства предметов можно поставить в соответствие сопряженную ей точку в пространстве изображений. Если из некоторой точки в пространстве предметов выходят лучи и эти лучи затем пересекаются в пространстве изображений в какой-либо точке, то эти две точки называются сопряженными. Сопряженные линии – это линии, для которых каждая точка линии в пространстве предметов сопряжена с каждой соответствующей точкой линии в пространстве изображений (для идеальных оптических систем). В реальных оптических системах лучи, выходящие из точки
Лекция 3 Теория идеальных оптических систем (параксиальная или гауссова оптика) Основные положения В параксиальной области (бесконечно близко к оптической оси), любая реальная система ведет себя как идеальная. Каждая прямая линия имеет сопряженную ей прямую линию в пространстве изображений. Каждая плоскость пространства предметов имеет сопряженную ей плоскость в пространстве изображений. Из этих положений следует, что меридиональная плоскость имеет сопряженную ей меридиональную плоскость в пространстве изображений. Угловое увеличение Угловое увеличение оптической системы – это отношение тангенса угла между лучом и оптической осью в пространстве изображений к тангенсу угла между сопряженным с ним лучом в пространстве предметов и осью (рис.5.2.2): В параксиальной области углы малы, и следовательно, угловое увеличение – это отношение любых из следующих угловых величин:
Продольное увеличение Продольное увеличение оптической системы – это отношение бесконечно малого отрезка, взятого вдоль оптической оси в пространстве изображений, к сопряженному с ним отрезку в пространстве предметов: Рис.5.2.3. Сопряженные продольные отрезки. Рассмотрим плоскости в пространстве предметов и сопряженные им плоскости в пространстве изображений. Найдем пару плоскостей, в которых линейное увеличение равно единице. В общем случае такая пара плоскостей существует, причем только одна (исключением являются афокальные или телескопические системы, для которых такие плоскости могут не существовать или их может быть бесконечное множество). Главными плоскостями системы называется пара сопряженных плоскостей, в которых линейное увеличение равно единице ( Главные точки Рассмотрим случай, когда линейное увеличение равно нулю, или бесконечности. Отодвинем плоскость предметов бесконечно далеко от оптической системы. Сопряженная ей плоскость называется задней фокальной плоскостью, а точка пересечения этой плоскости с оптической осью – задний фокус Рис.5.2.4. Кардинальные точки и отрезки. Расстояние от задней главной точки до заднего фокуса называется задним фокусным расстоянием Расстояние от последней поверхности до заднего фокуса называется задним фокальным отрезком Передний фокус Построение изображений Найдем изображение Рис.5.2.5. Построение изображения точки. Построим теперь ход луча 1 способ. Можно построить вспомогательный луч, параллельный данному и проходящий через передний фокус (луч 2 способ. Можно построить вспомогательный луч, идущий параллельно оптической оси и проходящий через точку пересечения луча Рис.5.2.6. Построение хода луча. Диоптрийное исчисление Диоптрийное исчисление – это измерение продольных отрезков в обратных единицах (диоптриях):
Через реальную оптическую систему в отличие от идеальной проходят реальные лучи, а не нулевые (параксиальные). Ход реального луча отличается от хода нулевого (идеального) луча. Отклонение хода реального луча от идеального связано со строгим выполнением законов преломления и отражения (параграф 3.1) на реальных поверхностях оптических систем. Отличия реальной оптической системы от идеальной:
Расчет хода реальных лучей Рассмотрим ход реальных лучей в меридиональной плоскости (рис.7.1.1). Рис.7.1.1. Ход реального луча. Реальные лучи, в отличие от нулевых, преломляются не на главных плоскостях где Ограничения пучков лучей Ограничения пучков в оптических системах связаны с конечностью физических размеров оптических элементов. Эти ограничения обозначаются на схемах и чертежах в виде диафрагм, роль которых могут играть оправы линз, а также отдельно стоящие диафрагмы. В принципе диафрагмы могут рассматриваться не только для реальных, но и для нулевых лучей (то есть в параксиальной области). Как правило, в первом приближении анализ габаритов пучков производится в параксиальной области, но впоследствии расчеты обязательно уточняют с использованием реальных лучей. Апертурная диафрагма Ограничение размера пучков – результат совместного действия всех имеющихся в оптической системе диафрагм. Однако можно выделить одну (наименьшую) диафрагму, и считать, что остальные не ограничивают ход лучей. Такая диафрагма называется апертурной (рис.7.2.1). Входной зрачок, выходной зрачок и апертурная диафрагма сопряжены. Апертурный луч внутри системы проходит через край апертурной диафрагмы, в пространстве предметов – через край входного зрачка, а в пространстве изображений – через край выходного зрачка. Полевая диафрагма Виньетирование Если пучки лучей ограничиваются только апертурной диафрагмой, то они полностью заполняют зрачок, как показано на рис.7.2.3. Если внеосевые пучки дополнительно ограничиваются помимо апертурной другими диафрагмами, то зрачок заполняется не полностью (рис.7.2.4). Это дополнительное ограничение или срезание пучков называется виньетированием. Рис.7.2.4. Виньетирование В общем случае область диафрагмы выглядит так, как показано на рис.7.2.5, из которого видно, что пучок срезается сверху на величину Рис.7.2.5. Виньетирование (плоскость апертурной диафрагмы). Коэффициент виньетирования – это отношение размеров срезаемой части диафрагмы к ее радиусу. Коэффициенты виньетирования сверху Рис.7.2.6. Виньетированный пучок лучей Достоинства виньетирования:
Недостатки виньетирования: · уменьшает размеры пучков, следовательно, уменьшает энергию пучка, что приводит к неравномерному распределению освещенности внеосевых зон изображения, · в дифракционно-ограниченных оптических системах качество изображения определяется дифракцией, причем чем меньше результирующая апертура (размер пучка), тем больше влияние дифракции, то есть ухудшается качество изображения. Лекция 5. Аберрации оптических систем Формы представления аберраций Общие положения В идеальной оптической системе все лучи, исходящие из точки Рис.8.1.1. Идеальное и реальное изображения точки. Поперечные аберрации Поперечные аберрации Если точки Рис.8.1.2. Поперечные аберрации Различают поперечные аберрации в сагиттальной плоскости Рис.8.1.3. Поперечные аберрации для удаленного изображения Продольные аберрации Дефокусировка Дефокусировка не приводит к нарушению гомоцентричности пучка (рис.8.2.1), а только свидетельствует о продольном смещении плоскости изображения. Рис.8.2.1. Дефокусировка. При дефокусировке все лучи на выходе оптической системы пересекаются в одной точке, но не в точке идеального изображения. Поэтому в случае дефокусировки продольная аберрация постоянна для всех лучей (для всех точек зрачка): Если дефокусировки нет, то плоскость изображения совпадает с плоскостью Гаусса (плоскостью идеального изображения). Чтобы избавиться от дефокусировки, нужно просто соответствующим образом передвинуть плоскость изображения. Сферическая аберрация Сферическая аберрация приводит к тому, что лучи, выходящие из осевой точки предмета, не пересекаются в одной точке, образуя на плоскости идеального изображения кружок рассеяния (рис.8.2.3). Ею обладают все линзы со сферическими поверхностями. Чтобы ее устранить, необходимо сделать поверхности не сферическими. Рис.8.2.3. Сферическая аберрация. Продольная и поперечная аберрации в этом случае определяются выражениями: В простых положительных линзах сферическая аберрация 3 порядка отрицательна, а в отрицательных положительна. Комбинируя положительные и отрицательные линзы можно исправлять сферическую аберрацию. Графики волновой, продольной и поперечной аберраций в случае сферической аберрации 3 порядка представлены на рис.8.2.4. а) волновая б) продольная в) поперечная аберрация аберрация аберрация Рис.8.2.4. Графики аберраций для сферической аберрации 3 порядка. Кома От греческого: Кома появляется при смещениях точки предмета с оси. Кома добавляется к другим аберрациям (например, к сферической), но мы будем рассматривать ее отдельно от других аберраций (рис.8.2.7). Рис.8.2.7. Структура пучка лучей при наличии комы. В первом приближении кома прямо пропорциональна смещению предмета с оси. Если смещение равно нулю, то и кома равна нулю. Таким образом, поперечная аберрация при наличии комы прямо пропорциональна величине предмета: где Дисторсия Название происходит от латинского “искажение”. Если кроме дисторсии других аберраций нет, то точка изображается в виде точки (гомоцентрический пучок остается гомоцентрическим), но эта точка смещена от идеальной (рис.8.2.16). Рис.8.2.16. Дисторсия При дисторсии величина изображения отличается от идеального: Абсолютная дисторсия (выражается в тех же единицах, что и величина изображения): где Относительная дисторсия: Дисторсия характерна тем, что ее величина нелинейно зависит от величины предмета, то есть увеличение различно для разных точек поля. Абсолютная дисторсия определяется следующей зависимостью: Наличие дисторсии приводит к искажению прямых линий, не проходящих через ось (рис.8.2.18). Если квадратный предмет изображается в виде подушки – это положительная дисторсия. Если изображение квадрата имеет выпуклые стороны (в виде бочки), то это отрицательная дисторсия.
а) предмет б) изображение Рис.8.2.18. Дисторсия. Допустимая относительная дисторсия (то есть дисторсия, которая при восприятии глазом не вызывает ощущения, что изображение искажено) около Хроматические аберрации Хроматические аберрации – это проявление зависимости характеристик оптической системы от длины волны света (хромо – цвет). Хроматические аберрации приводят к тому, что в изображениях неокрашенных предметов появляется окрашенность. Хроматические аберрации появляются из-за того, что оптические системы изготовлены из оптических стекол с показателями преломления, зависящими от длины волны Существуют два основных вида хроматизма:
Хроматизм положения Хроматизм положения – это аберрация, при которой изображения одной точки предмета расположены на разном расстоянии от оптической системы для разных длин волн (разные положения плоскости изображения). В этом случае фокусы также расположены на разных расстояниях (рис.8.3.1). Рис.8.3.1. Хроматизм положения. Чем меньше длина волны, тем ближе изображение к оптической системе. Численно хроматизм положения определяется разностью положений плоскости изображения для крайних длин волн ( Хроматизм увеличения Хроматизм увеличения – это аберрация, при которой увеличение оптической системы зависит от длины волны (рис.8.3.9). Вследствие этого вместо изображения точки образуется цветная полоска. Рис.8.3.9. Хроматизм увеличения. Численно абсолютный хроматизм увеличения (первичный спектр) определяется как разность величины изображения для крайних длин волн: Функция рассеяния точки В идеальной оптической системе точка изображается в виде точки, а в реальной оптической системе точка изображается в виде пятна рассеяния (рис.9.1.2). Рис.9.1.2. Изображение точки в пределах изопланатической зоны. Основной характеристикой, описывающей передачу структуры предмета оптической системой является функция рассеяния точки. Функция рассеяния точки (ФРТ, point spread function, PSF) Зная функцию рассеяния точки, можно найти изображение любого предмета, если разложить его на точки и найти ФРТ от каждой точки. Если есть предмет Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 1172; Нарушение авторского права страницы