光学镜头基础知识及测试课件

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1、ConfidentialRevPA16/15/20081Camera Camera1ConfidentialRevPA16/15/20082主要内容主要内容光学镜头基础知识光学镜头基础知识CCD&CMOS性能对比性能对比相机成像质量主要评测参数相机成像质量主要评测参数测试卡测试卡图像分析软件图像分析软件实验方法实验方法干涉衍射三原色散射几种现象干涉衍射三原色散射几种现象主要内容光学镜头基础知识2ConfidentialRevPA16/15/20083Camerablockdiagram:1.Lenssystem镜头2.Motor(controlthepositionofLens)控制驱动系统3

2、.Sensor:CMOSorCCDtype图像传感器4.DSP:DigitalSignalProcessing数字信号处理Camerablockdiagram:1.Lenssy3ConfidentialRevPA16/15/20084Cameralenssystem相机的镜头类似于人眼的晶状体。没有晶状体，人眼看不到任何物体，没有镜头，相机无法输出清晰的图像。成像视觉中，镜头作用：将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。镜头质量直接影响相机的整体性能。Lensarecameraseyes,Theypreprocessthelightwhichwillreachthecamerasensorand

3、makeaclearimageonthesensor.Thesystemusuallyincludesseverallenscomponentsaimstomakeabetterimage.Cameralenssystem相机的镜头类似于人眼的晶4ConfidentialRevPA16/15/20085镜头基本结构镜头透镜光阑正透镜负透镜孔径光阑视场光阑消杂光光阑普通镜头都有光圈调节环，调节环转动时带动镜头内的黑色叶片以光轴为中心伸缩运动，为可变孔径光阑特性（色差、色散等）相反，配合使用，矫正像差及各类失真。变焦镜头既要保证焦距在较大范围内可调，又要保证成像在光敏面上，因此由多组正负透镜组成。

4、决定成像面大小消除杂光镜头基本结构镜头透镜光阑正透镜负透镜孔径光阑视5ConfidentialRevPA16/15/20086镜头的分类焦距：广角镜头、标准镜头、长焦镜头；调焦方式：手动调焦、自动调焦；变焦倍数分2、6、10、20倍变焦等；光圈：手动光圈、自动光圈。镜头的分类焦距：广角镜头、标准镜头、长焦镜头；6ConfidentialRevPA16/15/200871.镜头光圈光圈表示：通过开口大小控制曝光量，焦距与光束直径的比值，也称为F数（光圈系数），越小越好。例如：一只的镜头，最大光孔直径为25mm时，该镜头的相对孔径为1：2，即。定焦镜头的F数已经标准化。目前常用的为：F=1.4,2

5、,2.8,4,5.6,8,11,16,22,32等。1.镜头光圈光圈表示：通过开口大小控制曝光量，7ConfidentialRevPA16/15/200882、自动光圈控制（1）成像目标的反射光经光学镜头、可变光圈聚焦在CCD(CMOS)的光敏面上。（2）CCD(CMOS)相机将光信号转换成相应的电信号，并进行信号处理输出所需的视频信号。（3）另一路输出信号经放大（Amplifier)、箝位（Clamp)、送入积分器（Integrator)。积分后的结果与参考电平（Referencelevel)比较，确定光圈改变的方向及大小。（4）当积分信号低于（高于）标准电平时，驱动电机旋转，带动光圈向增大

6、（减小）通光孔径的方向改变，从而调节光敏面的照度，获得清晰图像。2、自动光圈控制（1）成像目标的反射光经光学镜头、可变光圈聚8ConfidentialRevPA16/15/20089自动光圈控制自动光圈控制9ConfidentialRevPA16/15/2008103、应用外部环境光照度存在较大变化时，采用自动光圈镜头；光照度基本恒定时，采用手动光圈镜头。增加光圈的级数，可以获得更为理想的曝光量。例如：在2.8与4之间增加F数为3.5一档，即前一档的入射光通量是后一档的1.5倍。3、应用外部环境光照度存在较大变化时，采用自动光圈镜头；光照10ConfidentialRevPA16/15/200

7、811变焦镜头通过镜头镜片之间相互移动，使镜头焦距可在一定范围内连续变化，从而在无需改变镜头的条件下，相机既可以获得目标的全景象，又可获得局部像。变焦范围有6、8、10、12、16、20、50倍等。变焦镜头通过镜头镜片之间相互移动，使镜头焦距可在一定范围内连11ConfidentialRevPA16/15/200812组成变倍组、补偿组、固定组等构成变焦镜头调焦组：通过小范围的轴向移动，实现镜头的聚焦调整。变倍组：通过轴向移动，实现焦距连续可调。补偿组：变倍组移动调焦时，成像面随之变化，随补偿组进行相应的移动，使成像面保持在图像传感器的光敏面上。后固定组：保证有一定的装座距离。组成变倍组、补偿

8、组、固定组等构成变焦调焦组：通过小范围的轴12ConfidentialRevPA16/15/200813光学变焦VS数码变焦光学变焦：通过移动镜头内部镜片来改变镜头焦距的长短。数字变焦也称数码变焦（DigitalZoom），是通过相机内的处理器，把图片内的每个象素面积增大，从而达到放大目的。如同用图像处理软件把图片的面积改大，只是程序在相机内进行，把原来CCD影像感应器上的一部份像素使用“插值”处理手段做放大,将CCD影像感应器上的像素用插值算法将画面放大到整个画面。通过数码变焦，拍摄的景物放大了，但它的清晰度会有一定程度的下降。数码相机的数码变焦一般在6倍左右，摄像机的数码变焦在44倍-60

9、0倍左右，实际使用中有40倍就足够了。因为太大的数码变焦会使图像严重受损，有时候甚至因为放大倍数太高，而分不清所拍摄的画面。光学变焦VS数码变焦光学变焦：通过移动镜头内部镜片来改变镜头13ConfidentialRevPA16/15/200814变焦镜头VS定焦镜头对于变焦镜头，倍数越大，所需要的透镜组越多，制造工艺越复杂。我们知道，光线达到透镜表面之后会有一部分光穿过透镜被折射过去，另一部分光被反射回去。由于透镜组增多，被透镜反射的光就越多，经过透镜折射然后到达底片上的有效成像光就越少。并且由于透镜间光线的反复折射互相叠加干涉，也会使成像质量下降。变焦镜头VS定焦镜头对于变焦镜头，倍数越大，

10、所需要的透镜组越14ConfidentialRevPA16/15/200815自动对焦相机自动对焦是一个复杂的光电一体化的过程，简单说其基本原理是将物体反射的光被传感器CCD接受，通过处理器处理，带动电动对焦装置进行对焦。自动对焦相机自动对焦是一个复杂的光电一体化的过程，简单说其基15ConfidentialRevPA16/15/200816自动对焦由物镜L、分光棱镜P、线阵图像传感器和、CCD驱动器、信号处理电路、步时电机及驱动电路构成。两个CCD分别放在焦平面的前部（A点）和后部（B点），与焦平面相距一个小间隔。分光棱镜使同一视场的光分离，分别被两个CCD接收。当两路CCD信号中的高频成分

11、相等时，表示对焦，不等表示离焦。同时，根据两路CCD高频分量大小，可判断是前离焦或后离焦。自动对焦由物镜L、分光棱镜P、线阵图像传感器和16ConfidentialRevPA16/15/200817自动对焦系统原理框图自动对焦系统原理框图17ConfidentialRevPA16/15/200818VA=VB,实现了对焦（Z=0)Z:离焦量V：高频电压有效值O：焦平面位置由于系统噪声及CCD性能差异，严格对焦很困难，实际选择一个阈值,当时,认为已经对焦。VA=VB,实现了Z:离焦量由于系统噪声18ConfidentialRevPA16/15/200819自动对焦具备以下三点特性1.以某种方式自

12、动判断拍摄者所拍摄的主体；2.以某种方式测量被摄主体与相机感光元件之间的距离；3.驱动马达将镜头的对焦装置推到与之相应的距离刻度。自动对焦具备以下三点特性1.以某种方式自动判断拍摄者所拍摄19ConfidentialRevPA16/15/200820自动对焦“自动对焦”就是由机器根据拍摄现场的光线被摄物体的距离等参数,自动设定快门与焦距以保证照片的最佳效果.手机因体积所限,不可能加上调焦、快门等把手,这就使“自动对焦”功能尤为重要!自动对焦是将被摄物拍的更加清楚！自动对焦是将被摄物拍的更加清楚！自动对焦“自动对焦”就是由机器根据拍摄现场的光线被摄物体的距20ConfidentialRevPA1

13、6/15/200821镜头的接口C型和CS型，均是国际标准接口，其旋合长度、制造精度、靠面尺寸及后截距公差均应符合相关要求。C型接口的后截距为17.526mm，CS型接口的后截距为12.526mm。镜头的接口C型和CS型，均是国际标准接口，其旋合长度、制造精21ConfidentialRevPA16/15/200822镜头的性能指标一、焦距：（1）对同同一目标成像时，镜头的焦距越大，所成的像就越大（2）焦距还直接与镜头的视场有关，短焦距镜头具有较大的视场，长焦距镜头具有较小的视场。当物体无限远时，关系式为：。二、相对孔径：表示。对相机镜头的分辨率、相面照度构成直接影响。光学镜头的外境筒上，刻有

14、F数或者光圈数，相对孔径的倒数。分辨率完全有相对孔径决定，正比关系相面照度与相对孔径的平方成正比镜头的性能指标一、焦距：（1）对同同一目标成像时，镜头的22ConfidentialRevPA16/15/200823三、视场角：决定图像传感器成像的空间范围，与镜头焦距有关。镜头焦距一定时，视场角越大，目标图像越大。当CCD器件尺寸一定时，焦距越长，视场角越小。按视场角大小，光学镜头分为标准镜头、广角镜头和长焦距镜头。四、光谱特性：光学镜头对各波段光线的透过率特性。即所拍图像的颜色与成像目标的颜色具有较高的一致性。因此希望各波段透过光学镜头时，除在总强上有一定损失外，其光谱组成不发生改变。影响因素

15、影响因素：膜层的干涉特性、玻璃材料的吸收特性。要求要求：镜头最高分辨力的光线应与照明波长、CCD器件接收波长相匹配，并使光学镜头对该波长的光线透过率尽可能的提高。光学镜头基础知识及测试课件23ConfidentialRevPA16/15/200824CCD&CMOS一、一、成像过程。原理相同，只是读取过程不同：CMOS图像传感器经光电转换后直接产生电流（电压）信号，以类似DRAM的方式读出信号，工作时仅需单一工作电压供电；CCD以电荷包的形式进行存储及转移，其信号的读取需要多路外部驱动脉冲机电源的支持，系统电路复杂。二、二、集成性。CMOS图像传感器可将光敏元阵列、信号读取电路、A/D转换电路

16、、图像信号处理电路及控制器等集成在一个芯片上，易于实现单芯片的成像系统；由于和CMOS工艺不兼容，CCD难以将时序发生器、驱动电路及信号处理电路等集成在同一芯片上。要有3-5个芯片来实现这些功能，使系统体积重量增大，不利于系统的微型化。三、三、噪声。CMOS集成度高，各原件、电路之间距离很近，干扰严重，噪声对图像质量影响大；CCD技术较成熟，PN结或二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量好。四、四、功耗。CMOS只需一路电源供电(3-5V),功耗仅为CCD的1/10，CCD需要3路以上电源来满足特殊时钟驱动的需要，功耗大。CCD&CMOS一、成像过程。原理相同，只是读取过程不同：24Confiden

17、tialRevPA16/15/200825相机成像质量主要参数相机成像质量主要参数1SNR信噪比Uniformity像面响应均匀性2Distortion畸变3OECF光电转换函数4Resolution分辨力5SFR（MTF)空间频率响应6SQF主观质量因子相机成像质量主要参数1SNR信噪比25ConfidentialRevPA16/15/2008261、SNR&Uniformity一、信噪比直接体现了图像传感器的噪声和一、信噪比直接体现了图像传感器的噪声和暗电流水平暗电流水平。二、反映数码相机成像系统各个光敏元之间二、反映数码相机成像系统各个光敏元之间输出信号的差别。它是一项评价相机成像输出信

18、号的差别。它是一项评价相机成像系统的光学成像部分和图像传感器芯片上系统的光学成像部分和图像传感器芯片上各个光敏元响应度以及后期信号处理电路各个光敏元响应度以及后期信号处理电路的综合技术指标。的综合技术指标。1、SNR&Uniformity一、信噪比直接体现了图像26ConfidentialRevPA16/15/2008272、畸变客观评测、畸变客观评测畸变虽然不会影响成像的清晰度，但是影响成像的形状1分类：广角端桶形畸变、长焦端枕形畸变2定义：离图像中心的径向距离h相对于其理想值h的偏差来衡量2、畸变客观评测畸变虽然不会影响成像的清晰度，但是影响成像的27ConfidentialRevPA16

19、/15/200828畸变测试卡的制作畸变测试卡的制作水平：垂直16:12，线粗为2mm,方格宽度为16mm畸变测试卡的制作水平：垂直16:12，线粗为2mm,方格宽度28ConfidentialRevPA16/15/2008293、相机、相机OECF评测评测ISO 14524 测试卡测试卡3、相机OECF评测ISO14524测试卡29ConfidentialRevPA16/15/200830相机相机OECF评测评测等1/3次方亮度间隔12 11 9 7 10 8 6 4 2 1 3 5 相机OECF评测等1/3次方亮度间隔1211930ConfidentialRevPA16/15/200831

20、相机相机OECF评测评测OECF：图像输入亮度值的对数与拍摄的图像输出灰度之间的函数关系光电转换函数OECF是描述数码相机物理信号输入与其相应的输出信号之间的关系，是研究数码相机成像性能的基础。相机OECF评测OECF：图像输入亮度值的对数与拍摄的图像输31ConfidentialRevPA16/15/2008325 5、分辨力分辨力：ISO 12233 测试测试卡卡5、分辨力：ISO12233测试卡32ConfidentialRevPA16/15/200833分辨力客观评测分辨力客观评测 HYRes截取截取ROIROI灰度化灰度化逐行读取灰度值逐行读取灰度值与阈值作对比与阈值作对比分辨力客观

21、评测HYRes截取ROI33ConfidentialRevPA16/15/2008346 6、SFRSFR基础基础把光学系统看成对于空间频率空间频率的低通滤波器，用频谱分析的方法对光学系统成像质量作出评价。很自然地在光学系统中引进传递函数传递函数的概念，作为评价成像质量的指标。调制传递函数MTF综合反映了相机的成像性能6、SFR基础把光学系统看成对于空间频率的低通滤波器，用频谱34ConfidentialRevPA16/15/200835SFRSFR基础基础光学传递函数由模量MTF和辐角PTF两部分组成。实际评价像质时，由于成像系统的低频响应对常用的接收器件来说最为重要，而在低频处PTF的往往

22、很小,所以位相传递函数用得很少,目前一般均以MTF来评价光学系统的像质.称为调制传递函数（MTF）的方法.SFR基础光学传递函数由模量MTF和辐角PTF两部分组成。35ConfidentialRevPA16/15/200836SFRSFR原理原理Imatest较MTF测量方法，SFR对于测量模板的要求相对不高，且测量数据准确可靠。单位：LW/PHSFR原理Imatest较MTF测量方法，SFR对于测量模板36ConfidentialRevPA16/15/200837SFRSFR原理原理SFR原理37ConfidentialRevPA16/15/200838超采样ESF超采样超采样ESF差分运算

23、差分运算 超采样超采样LSF1.提高采样频率提高采样频率2.二维的二维的ESF转化为一维平均转化为一维平均ESF 超采样ESF超采样ESF差分运算超采样LSF1.提高38ConfidentialRevPA16/15/200839相机像质评价方法相机像质评价方法1.单参数评测单参数评测2.调制传递函数调制传递函数MTF的传递特性影响成像质的传递特性影响成像质量的好坏量的好坏3.光学传递曲线之下所包含的面积值大小即光学传递曲线之下所包含的面积值大小即SQF值决定了光学系统的整体成像质量的好坏值决定了光学系统的整体成像质量的好坏(SFR)MTF低频低频中低频中低频高频高频几何轮廓形状几何轮廓形状成像

24、几何轮廓的陡削成像几何轮廓的陡削成像的明锐度成像的明锐度相机像质评价方法1.单参数评测(SFR)MTF低频中低频高频39ConfidentialRevPA16/15/200840空间低频信息传递空间低频信息传递能力强，能力强，几何轮廓很清晰；几何轮廓很清晰；空间低频信息传递空间低频信息传递能力很弱，能力很弱，几何轮廓模糊。几何轮廓模糊。低低 频频空间低频信息传递能力强，低频40ConfidentialRevPA16/15/200841空空间间高高频频传传递递特特性性好好图图像像几几何何轮轮廓廓陡陡削削 空间高频传递特性差空间高频传递特性差 图像几何轮廓不陡削图像几何轮廓不陡削高高 频频高频41

25、ConfidentialRevPA16/15/200842空间中低频传空间中低频传递特性好图像递特性好图像明锐度很好；明锐度很好；空间中低频传空间中低频传递特性差的图递特性差的图像，图像明锐像，图像明锐度很低。度很低。中中 低低 频频中低频42ConfidentialRevPA16/15/2008437、SQF调制传递函数的加权积分值SQF定义为归化到观察者视网膜上的成像系统MTF在1040cycles/mm范围内的对数空间频率域的积分:调制传递函数:人眼的对比敏感度函数7、SQF调制传递函数的加权积分值43ConfidentialRevPA16/15/200844SQF值高值高成像成像良好良

26、好SQF值低值低成像成像很差很差SQF值高44ConfidentialRevPA16/15/200845SQF冲印尺寸越大，图片质量越差SQF值是按照各种不同冲印放大率将成像镜头和人眼的MTF归化到成像镜头像面上计算得到的,包含对各种冲印尺寸的考察暖色调的单元格越多，镜头总体质量越好A+AB+BC+CDF10094 9489898484797969 6959 5949 49SQF冲印尺寸越大，图片质量越差A+AB+BC+CDF1045ConfidentialRevPA16/15/200846SQFA+AB+BC+CDF1009494898984847979696959594949SQFA+AB

27、+BC+CDF100949489898446ConfidentialRevPA16/15/200847SQFSQF评价方法的价方法的优点点:1.无量纲2.百分制打分3.可以给出镜头在不同光圈指数、不同焦距、不同冲印尺寸条件下像质情况4.方便摄影爱好者了解镜头性能的分布情况，指导摄影爱好者选用最佳的镜头及其成像状态的拍摄参数。SQFSQF评价方法的优点:47ConfidentialRevPA16/15/200848测试卡TE241:ISO14524OECFTestchartTE170:ISO12233TE188:色彩还原测试卡，ColorRenditionchart,GretagMacbeth标

28、准TE255:DiffusorPlatetomeasurevignettingCF3200:彩色滤光片，维持该波段的高穿透力CF6500:测试卡TE241:ISO14524OECFTestc48ConfidentialRevPA16/15/200849ElectronicStillPictureResolutionChart(ISO12233)ElectronicStillPictureResol49ConfidentialRevPA16/15/200850TE241:OECF/NoiseChartwith20greypatches(ISO14524,ISO15739)TE241:OECF/N

29、oiseChartwith250ConfidentialRevPA16/15/200851TE188:色彩还原测试卡，ColourRenditionChart,(GretagMacbeth)TE188:色彩还原测试卡，ColourRenditio51ConfidentialRevPA16/15/200852TE255:DiffusorPlatetomeasurevignettingTE255:DiffusorPlatetomeasu52ConfidentialRevPA16/15/200853图像处理软件日本Olympus公司设计的分辨力判读软件HyRes，另一款是由ImatestLLC公司设

30、计编写的，基于Matlab核心的评测软件Imatest。HyRes通过图像处理的方法，判读分辨力极限值，针对ISO12233测试卡设计，可以处理水平分辨力，垂直分辨力，以及45方向的分辨力条纹，判读准确度较高，但缺陷是无法更改分辨力判据。而Imatest软件则是主要针对空间频率响应(SFR)的评测工具，同时还支持色彩的分析，专业性较强，可靠性高。结果表示：一个是视觉极限分辨力，另一个是结果表示：一个是视觉极限分辨力，另一个是MTF值下降为一半时的分辨力值值下降为一半时的分辨力值图像处理软件日本Olympus公司设计的分辨力判读软件HyR53ConfidentialRevPA16/15/2008

31、54分辨率评测结果型号型号分辨力值分辨力值(LW/PH)SHIHO2286SAMANTH1165SANIA1149K750C1164P1857.3*983.5G702625.6分辨率评测结果型号分辨力值(LW/PH)SHIHO2286S54ConfidentialRevPA16/15/200855SHIHOG702SHIHOSHIHOG702SHIH55ConfidentialRevPA16/15/200856开启均匀照明源（开启均匀照明源（LG 2-DLG 2-D色温转换片来选择所需的色)，预热，预热3030分钟，架置测试卡，保分钟，架置测试卡，保持暗室环境持暗室环境架设相机，对准比例画幅标

32、记架设相机，对准比例画幅标记调整相机参数调整相机参数拍摄测试卡图像，拍摄图片文件名、拍摄时拍摄测试卡图像，拍摄图片文件名、拍摄时相机的主要参数设置信息相机的主要参数设置信息相机成像性能实验相机成像性能实验开启均匀照明源（LG2-D色温转换片来选择所需的色)，预56ConfidentialRevPA16/15/200857光波产生干涉的条件：频率相同振动方向不垂直位相差恒定光波干涉光波干涉光波产生干涉的条件：光波干涉57ConfidentialRevPA16/15/200858相机摩尔条纹原理用数码相机拍摄景物，如果有密纹的纹理，常常会出现莫名其妙的水波样条纹。这就是摩尔纹。简单的说，摩尔纹是差

33、拍原理的一种表现。从数学上讲，两个频率接近的等幅正弦波叠加，合成信号的幅度将按照两个频率之差变化。同样，差拍原理也适用于空间频率。空间频率略有差异的条纹叠加，由于条纹间隔的差异、重合位置会逐渐偏移，也会形成差拍。相机摩尔条纹原理用数码相机拍摄景物，如果有密纹的纹理，常常会58ConfidentialRevPA16/15/200859图1是两个空间频率略有差异的条纹，它们左端黑线位置相同，由于间隔不同，向右边逐渐线条就不能重合了。图2是这两个条纹重叠的结果，左边由于黑线重合，所以可以看到白线。而右边逐步错位、白线对着黑线，重叠结果变得全黑。有白线和全黑的变化，组成了摩尔纹。为了让大家看到摩尔纹产

34、生过程，两组条纹没有完全重合，上下各有一段独立。图2图3的两个条纹的空间频率相差较大，结果在画面中出现了四次重合错位过程，形成的摩尔纹空间频率提高了4倍！图3图1图1是两个空间频率略有差异的条纹，它们左端黑线位置相同，由于59ConfidentialRevPA16/15/200860图4：将图3的两组条纹完全重合、后退几步去掉眼镜，就可以看到典型的摩尔纹了！图4图5、图6：如果空间频率相差很大，理论上将形成很密的摩尔纹。而实际上由于每个周期所占的像素减少、反而不明显了！图5图6图4：将图3的两组条纹完全重合、后退几步去掉眼镜，就可以看到60ConfidentialRevPA16/15/2008

35、61。61ConfidentialRevPA16/15/200862光学镜头基础知识及测试课件62ConfidentialRevPA16/15/200863原因：一、光学影像的细节与CCD/CMOS的像素节距相近，直接导致Moire条纹产生；二、通常成像器件会在前面加上一个低通滤波器（把高于感光器分辨率挡住，这当然会降低图像的锐度），过滤掉高频成分。有的会为了保持它图像比较锐的特性，有意把低通滤波器的截至频率设置的比较高，也导致Moire条纹现象产生。要避免产生Moire条纹，唯一的办法就是进一步提高镜头的CCD/CMOS的分辨率。将来的数码相机如果像素密度能够大大提高、远远超过镜头分辨率，也

36、就不会出现讨厌的摩尔纹了！原因：63ConfidentialRevPA16/15/200864因此在设计低通滤镜时设计师要在分辨率和莫尔条纹之间做一个妥协选择。事实上，很多摩尔纹是因为RGB规律排列造成的：某段区域内正好只有R单元被照到，隔壁一段都是G.于是明暗线变成了色块。如果各个单元三色排列随机，情况会好一点。光学镜头基础知识及测试课件64ConfidentialRevPA16/15/200865彩色视觉是人眼的种明视觉。彩色光明度光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉色调饱和度反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等彩色物体的色调决定于在光照明下所反射光的光谱成分。如某物体在日光下呈现绿色是因为

37、它反射的光中绿色成分占优势，而其它成分被吸收掉了。对于透射光，其色调则由透射光的波长分布或光谱所决定彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，颜色就越深，或越纯；而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。因而饱和度是色光纯度的反映。100%饱和度的色光就代表完全没有混入白光阴纯色光。色度即说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。彩色视觉是人眼的种明视觉。彩明度光作用于人眼时引起的明亮程65ConfidentialRevPA16/15/200866注：虽然不同波长的色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色

38、感觉却可来自不同的光谱成分组合。如适当比例的红光和绿光混合后，可产生与单色黄光相同的彩色视觉效果。事实上，自然界中所有彩色都可以由三种基本彩色混合而成，这就是三基色原理。三基色是这样的三种颜色，它们相互独立，其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的，即所有其它颜色都可以三基色按不同的比例组合而得到。两种基色系统，一种是加色系统，其基色是红、绿、蓝；另一种是减色系统，其三基色是黄、青、紫（或品红）。不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色，其规律为：红绿黄红蓝紫蓝绿青红蓝绿白注：虽然不同波长的色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉66ConfidentialRevPA16/15/

39、200867彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出，这就是相减混色。因为颜料能吸收入射光光谱中的某些成分，未吸收的部分被反射，从而形成了该颜料特有的彩色。当不同比例的颜料混合在一起的时候，它们吸收光谱的成分也随之改变，从而得到不同的彩色。其规律为：黄白蓝紫白绿青白红黄紫白蓝绿红黄青白蓝红绿紫青白绿红蓝黄紫青白蓝绿红黑相减混色主要用于美术、印刷、纺织等，我们讨论的图象系统用的是相加混色。彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出，这就是相减混色67ConfidentialRevPA16/15/200868原则上可采用各种不同的三色组，为标准化起见，国际照明委员会CIE(CIE是法文Com

40、missionInternationaldelEclairage的缩写词)作了统一规定：红700纳米，绿546.1纳米，蓝435.8纳米。白光(W)可由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色相加而得，它们的光通量比例为R：G：B1：4.5907：0.0601取光通量为1光瓦的红基色光为基准，于是要配出白光，就需要4.5907光瓦的绿光和0.0601光瓦的蓝光，而白光的光通量则为w1+4.5907+0.06015.6508光瓦原则上可采用各种不同的三色组，为标准化起见，国际照明委68ConfidentialRevPA16/15/200869为简化计算，使用了三基色单位制，记作R、G、B，它规定白光是

41、由各为1个单位的三基色光组成，即M=1R+1G+1b符号M的含义是“可由混合配出”。由此可知，1个单位R1光瓦(红基色光)1个单位G4.5907光瓦(绿基色光)1个单位BO.0601光瓦(蓝基色光)为简化计算，使用了三基色单位制，记作R、G、B，69ConfidentialRevPA16/15/200870选定上述单位以后，对于任意给出的彩色光，其配色方程可写成r1R+g1G+b1B该色的光通量为c(r1+4.5907g1+0.0601b1)光瓦683(r1+4.5907g1+0.0601b1)流明其中，r1、g1、b1为三个色系数。在只考虑色光色度时，起决定作用的是r1、g1、b1的相对比例

42、，而不是其数值大小，于是可进一步规格化。令m=r1+g1+b1r=r1/mg=g1/mb=b1/m显然，r+g+b=1式中，m称为色模，它代表某彩色光所含三基色单位的总量。r、g、b称为RGB制的色度座标或相对色系数，它们分别表示：当规定所用三基色单位总量为1时，为配出某种给定色度的色光所需的R、G、B数值。这样，mrR+gG+bB。选定上述单位以后，对于任意给出的彩色光，其配色方程可写成70ConfidentialRevPA16/15/200871色度图色度图71ConfidentialRevPA16/15/200872色度图能把选定的三基色与它们混合后得到的各种彩色之间的关系简单而方便地描

43、述出来。图1表示一个以三基色为顶点的等边三角形。三角形内任意一点P到三边的距离分别为r、g、b。若规定顶点到对应边的垂线长度为1，则不难证明关系r+g+b=1成立，因此r、g、b就是这一色三角形的色度座标。显然，白色色度对应于色三角形的重心，记为W，因为该点r=1/3，g=1/3，b=1/3沿RG边表示由红色和绿色合成的彩色，此边的正中点为黄色，其色度座标为r=1/2,g=1/2,b=0橙色在黄色与红色之间(r=3/4，g=1/4，b=O)。同样，品红色在RB边的中点(r=1/2，g=0，b=1/2)，青色在BG边的中点(r=0,g=1/2,b=1/2)。穿过W点的任一条直线连接三角形上的两点

44、，该两点所代表的颜色相加均得到白色。通常把相加后形成白色的两种颜色称为互补色。例如图中的红与青、绿与品红、蓝与黄皆为互补色。从三角形边线上任一点(如R点)沿着此点与W的连线(如RW)移向W点，则其颜色(如100%饱和度的纯红色)逐渐变淡，到达W点后颜色就完全消失。上述色三角形称为Maxwell色三角形，色度图能把选定的三基色与它们混合后得到的各种彩色之间的关系简72ConfidentialRevPA16/15/200873CIECIE色度图色度图CIE色度图所用的三基色单位为X、Y、Z，而任何一种彩色均可由此三基色单位来表示，即x1X+y1Y+z1Z式中，x1、y1、z1为三个色系数。在选择三

45、基色单位X、Y、Z时，必须满足下列三个条件以克服RGB色度图的弊病。(1)当它们配出实际色彩时，三个色系数均应为正值；(2)为方便计算，使合成彩色光的亮度仅由y1Y一项确定，并且规定1Y光通量为1光瓦。换句话说，另外两个基色光不构成混合色光的亮度，但合成光的色度仍然由X、Y、Z的比值确定;(3)x1X=y1Y=z1Z时，混合得到是白光。根据上述三个条件求得XYZ色度图中的三基色为任意色彩C在XYZ空间中可以表示为|X|R|Y|=A|G|Z|B|其中|0.4185-0.09120.0009|A=|-0.15870.2524-0.025|-0.08280.01570.1786|任意色彩C在XYZ空

46、间中可以表示为=mxX+yY+zZ其中m=x1+y1+z1,x=x1/m,y=y1/m,z=z1/m显然,x+y+z=1CIE色度图CIE色度图所用的三基色单位为X、Y73ConfidentialRevPA16/15/200874我们称x、y、z为XYZ制的色度座标或相对色系数。上式说明，三个色度座标中有一个是不独立的，因而可以用x，y直角座标系来表示各种色度，这样的平面图形就是CIE色度图，如图2所示。由图可见，所有的色谱(可见光谱中包含的一系列单色)都位于马蹄形曲线上，曲线上加注了毫微米标记，以便能根据它们的波长而辨别其单色。在马蹄形内部包含了用物理方法能实现的所有彩色。马蹄形的底部没有给

47、予标记，因为那里是非谱色(各种紫红色，这些彩色不能作为单色出现在光谱上)，对于这些非谱色，波长当然是没有意义的。CIE为适应不同的需要，建立了一系列标准基色参考系。例如谱色基色系中，三基色是三个谱色，其波长分别为：红700纳米，绿546.1纳米，蓝435.8纳米。匹配一个混合色的三刺激值的各个份额叫三刺激值，它们的单位是这样确定的：匹配一个可见光谱中的等能白色时，三刺激值恰好相等。我们称x、y、z为XYZ制的色度座标或相对色系数。上74ConfidentialRevPA16/15/200875衍射原理光波在传播过程中遇到线度约的障碍物(或小孔)时,偏离直线传播,且光强重新分布的现象称为衍射现象

48、。衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样。单缝在窄边方向限制就在窄边方向出现条纹；圆孔在四周限制，就出现圆形条纹。孔的线度越小,衍射现象越显著（但d时向散射过渡）。产生衍射的条件是：由于光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射。用单色光照射时效果好一些，如果用复色光，则看到的衍射图案是彩色的。衍射是光传播过程中的普遍现象，衍射想象是否发生与光源性质（波长、振幅、偏振态、波面形状）无关，也于障碍物形状无关。衍射原理光波在传播过程中遇到线度约的75ConfidentialRevPA16/15/200876菲涅耳衍射：光

49、源障碍物和障碍物接收屏的距离中至少有一个是有限远的衍射。夫琅禾费衍射光源障碍物和障碍物接收屏的距离中两个都为无限远的衍射。无限远的光即为平行光，这可以使用透镜来实现。菲涅耳衍射：光源障碍物和障碍物接收屏的距离中至少有一个76ConfidentialRevPA16/15/200877爱里斑爱里斑(Airy disc)由于光的波动性，光通过小孔会发生衍射，产生明暗相间的条纹衍射图样，条纹间距随小孔尺寸的减少而变大。衍射图样的中心区域有最大的亮斑，称为爱里斑。爱里斑的角度与波长()及小孔的直径(d)满足关系：sin=1.22/d爱里斑(Airydisc)由于光的波动性，光通过小孔会发77Confid

50、entialRevPA16/15/200878根据瑞利判据，如果两点之间的光强不超过最大光强的81.1%，我们就能感觉到这两点中间有一个暗区，这两点就是可以分辨的。否则，这两点就会连成一片，我们无法分别这是两点还是一点。这就是不能分辨。因此，我们说瑞利判据是决定分辨率的依据。根据瑞利判据，如果两点之间的光强不超过最大光强的81.1%，78ConfidentialRevPA16/15/200879散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传

51、播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散射。射。在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子（异质体）或者分子对光的作用，使光束偏离原来的传播（异质体）或者分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。方向而向四周传播的现象。浑浊介质有多种不同的形式。主要是以下几种：浑浊介质有多种不同的形式。主要是以下几种：1气体中混有固体微粒，即大气中有烟，灰尘；气体中混有固体微粒，即大

52、气中有烟，灰尘；2气体中混有微小液滴，就象雾；气体中混有微小液滴，就象雾；3液体中混有固体微粒，称为悬浊液；液体中混有固体微粒，称为悬浊液；4液体中混有另一种液体的微小液滴，称为乳剂。液体中混有另一种液体的微小液滴，称为乳剂。散射是一种普遍存在的光学现象。在光通过各种浑浊介质时，有一部79ConfidentialRevPA16/15/200880当光通过这些介质时都会发生散射。通常说光是直线传播当光通过这些介质时都会发生散射。通常说光是直线传播的（不考虑衍射），但实际光波只有在真空或均匀介质中的（不考虑衍射），但实际光波只有在真空或均匀介质中传播时，才有确定的传播方向。传播时，才有确定的传播方

53、向。如果介质不均匀，即有异质体存在，就会有散射现象。实如果介质不均匀，即有异质体存在，就会有散射现象。实验发现，这里的关键是折射率的不同，如果两种物质的折验发现，这里的关键是折射率的不同，如果两种物质的折射率相同，把它们混在一起时就和只有一种介质一样，并射率相同，把它们混在一起时就和只有一种介质一样，并没有散射光。浑浊介质中的异质体的线度要比光的波长大没有散射光。浑浊介质中的异质体的线度要比光的波长大时，散射作用是很强的，这种散射也称丁达尔散射或者丁时，散射作用是很强的，这种散射也称丁达尔散射或者丁达尔效应。丁达尔散射的强度是与光波波长无关的，因此，达尔效应。丁达尔散射的强度是与光波波长无关的

54、，因此，当入射光是白光时，我们看到的散射光也是白光。当入射光是白光时，我们看到的散射光也是白光。实验证明，极微小异质体（异质体线度比入射光波长小很实验证明，极微小异质体（异质体线度比入射光波长小很多）产生的散射和分子散射的散射规律与大颗粒异质体散多）产生的散射和分子散射的散射规律与大颗粒异质体散射（丁达尔散射）不同，其散射强度是与入射光的波长有射（丁达尔散射）不同，其散射强度是与入射光的波长有关的，即散射强度与光波波长的四次方成反比，这就是瑞关的，即散射强度与光波波长的四次方成反比，这就是瑞利散射定律。这类散射也称为瑞利散射。瑞利散射时，由利散射定律。这类散射也称为瑞利散射。瑞利散射时，由于蓝

55、光波长较短，其散射强度就比波长较长的红光强，因于蓝光波长较短，其散射强度就比波长较长的红光强，因此散射光中蓝光的成份较多。此散射光中蓝光的成份较多。当光通过这些介质时都会发生散射。通常说光是直线传播的（不考虑80ConfidentialRevPA16/15/200881几种现象Smear现象：衍射Blooming现象（高光溢出）：CDD储存残留导致Blemish（死点）：CCD成像黑点几种现象Smear现象：衍射81ConfidentialRevPA16/15/200882一、托尾现象（Smear)托尾现象只发生在使用CCD的相机上,拍摄太阳或者照明灯等反射光极亮的物体时在屏幕上出现一道垂直亮

56、线现象。主要使用快速快门和拍摄太阳等高亮度物体时产生的。因为CCD的每一个像素只能接收一个光线但受到了像素间的反射干涉和衍涉现象影响超出了每一个像素能够存储的电荷量而发生的。一、托尾现象（Smear)托尾现象只发生在使用CCD的相机82ConfidentialRevPA16/15/200883数码相机感光元件上的像素负责收集光子，并通过光电二极管把光子转化成电荷，继而通过一系列处理，形成数码图像。一旦接收光子的“桶”(bucket)满载，由额外光子转化成的电荷便会溢出，并且这种溢出对像素值是没有影响的，因此会导致像素值的感光不足或感光过度。当电荷溢出至其旁边的像素，使旁边的像素在处理光子过程中

57、感光过度。如图所看到的，表现太阳的明亮的像素有电荷溢出，使建筑物边缘的较暗的像素感光过度，并形成一条白带。高光溢出，不仅会使画面损失细节，而且增加了紫边出现的机会，图中左侧出现了严重的紫边现象。数码相机感光元件上的像素负责收集光子，并通过光电二极管把光子83ConfidentialRevPA16/15/200884一些传感器带有“高光溢出保护”(anti-bloominggates)功能，吸收溢出的电荷，减少溢出电荷对附近象素的滋扰。这种功能基本能抑止高光溢出开花模糊现象（Blooming)一些传感器带有“高光溢出保护”(anti-blooming84ConfidentialRevPA16/15/200885THANKSTHANKS!THANKS!85