目录 第5章摄影成像.……1 S5.1摄影成像过程及基本原理.…1 5.1.1摄影成像过程 512摄目影机成像原理 5.1.3感光片工作原理 .3 S52感光片的基本特牲.…6 5.2.1感光片的主要性质 6 5.2.2感色性和胶片分类 .10 5.2.3分辨力和清晰度. ..10 S5.3多波段摄影..................11 5.3.1滤光镜 11 5.3.2分波段摄影 .12 5.3.3彩色摄影 .12 5.3.4假彩色摄影与影像获取 16
目 录 第 5 章 摄影成像 ............................. 1 §5.1 摄影成像过程及基本原理 ....................... 1 5.1.1 摄影成像过程................................................................................................ 1 5.1.2 摄影机成像原理............................................................................................ 1 5.1.3 感光片工作原理............................................................................................ 3 §5.2 感光片的基本特性 ............................ 6 5.2.1 感光片的主要性质......................................................................................... 6 5.2.2 感色性和胶片分类....................................................................................... 10 5.2.3 分辨力和清晰度.......................................................................................... 10 §5.3 多波段摄影................................. 11 5.3.1 滤光镜.........................................................................................................11 5.3.2 分波段摄影................................................................................................. 12 5.3.3 彩色摄影..................................................................................................... 12 5.3.4 假彩色摄影与影像获取................................................................................ 16
第5章摄影成像 §5.1摄影成像过程及基本原理 5.1.1摄影成像过程 摄影成像的主要过程分为摄影、负片过程和正片过程，如图5l。 1摄影 摄影是把感光片装在摄影机内， 将摄影机对准目标或者被摄物体，调 拍 照（潜影） 节镜头与感光片和目标之间的距离， 使感光片位于镜头的成像位置上（即 负 片 过程 以影像清晰为准)，然后打开快门进行 显形水洗门「定影]水洗门「凉干 曝光。其曝光时间的长短，取决于感 光片的感光度和被摄目标亮度等因 素。在曝光这一段时间内，被摄目标 正片 过程 的反射光线通过物镜，形成光学影像， 该光学影像投射在感光片的感光层 印象显影定影水洗门换干 上，感光物质受光后发生光化学效应： 正 片 从而在感光片上构成人眼看不见的影 图5-1摄影成像流程 像一潜影。 2负片过程 将曝光过的感光片，在暗室内进行显影、定影、水洗、晾干后，就可得到和日标黑白 相反的影像，这种影像片称为负片或阴片，也常称为底片，这个过程称为负片过程。 3正片过程 将像纸和负片接触印像（或用放大机印放）即通过药面对药面进行曝光，再经过显影、 定影、水洗、烘干，可得与负片黑白相反而与目标明暗相应的影像。具有这种影像的感光 片为正片或阳片，通常称为像片。此过程即为正片过程。 5.1.2摄影机成像原理 1摄影机构成 名式各样的摄母影机的光学成像是党摄影机镜头，通过光线的折射和会聚作用而形成， 虽然其形式各异，但它们的基本构造和组成，以及成像原理大体是一样的，如图5-2所示。 它主要由镜箱、光圈、摄影物镜和暗盒等部件组成，被摄目标反射的光线通过物镜（镜头） 后，在成像面（胶片）上构成一个倒立的光学实像。快门是用来控制进入镜头光线的时间的， 1
1 第 5 章 摄影成像 §5.1 摄影成像过程及基本原理 5.1.1 摄影成像过程 摄影成像的主要过程分为摄影、负片过程和正片过程，如图 5-1。 1 摄影 摄影是把感光片装在摄影机内， 将摄影机对准目标或者被摄物体，调 节镜头与感光片和目标之间的距离， 使感光片位于镜头的成像位置上(即 以影像清晰为准)，然后打开快门进行 曝光。其曝光时间的长短，取决于感 光片的感光度和被摄目标亮度等因 素。在曝光这一段时间内，被摄目标 的反射光线通过物镜，形成光学影像， 该光学影像投射在感光片的感光层 上，感光物质受光后发生光化学效应， 从而在感光片上构成人眼看不见的影 像—潜影。 2 负片过程 将曝光过的感光片，在暗室内进行显影、定影、水洗、晾干后，就可得到和目标黑白 相反的影像，这种影像片称为负片或阴片，也常称为底片，这个过程称为负片过程。 3 正片过程 将像纸和负片接触印像(或用放大机印放)即通过药面对药面进行曝光，再经过显影、 定影、水洗、烘干，可得与负片黑白相反而与目标明暗相应的影像。具有这种影像的感光 片为正片或阳片，通常称为像片。此过程即为正片过程。 5.1.2 摄影机成像原理 1 摄影机构成 各式各样的摄影机的光学成像是靠摄影机镜头，通过光线的折射和会聚作用而形成， 虽然其形式各异，但它们的基本构造和组成，以及成像原理大体是一样的，如图 5-2 所示。 它主要由镜箱、光圈、摄影物镜和暗盒等部件组成，被摄目标反射的光线通过物镜(镜头) 后，在成像面(胶片)上构成一个倒立的光学实像。快门是用来控制进入镜头光线的时间的， 图 5-1 摄影成像流程
光圈是用来控制进入镜头的光线的多少的，镜箱是不透明的，以防止不经物镜的光线从侧 面进入摄影机内，暗盒部分是用来 装感光片的。 物丽 象距 在整个摄影机中，镜头是最 重要的部件，它是由一组复合透 镜所组成的光学系统，其折射和 会聚作用比较复杂，下面把它简 物体 化为单透镜成像原理来讨论。 2透镜的主要成像特性 镜头 (1)成像原理一透镜公式 光圈 快门」 透镜一般用光学玻璃做成， 图5-2摄影机的构造 是一个以两个球面为界限的透明 体，可分为凸透镜和凹透镜两种。各式透镜的球面中心位置，球面曲率半径，以及原材料 的折射率等，都是彼此不同的。因此，它们聚焦光线和发射光线的特性也是彼此不同的。 如图5-3所示，透镜两球面中心叫主点(S:、S:),通过两主点的光线叫主光轴，通 过主点与主光轴垂直的平面称主面(P,、P,),与主光轴平行的光线，经过镜头折射汇聚 在主光轴上一点，称焦点，焦点有前后两个(F:、F:),通过焦点与主光轴垂直的平面称 焦平面，主点到焦点的距离就是镜头的焦距()。根据光学原理，透镜具有下边几个特点： 0 图5-3透镜成像原理 1)所有光线，通过透镜后都要发生折射，唯有通过透镜中心的光线不发生折射 2)所有从物方来的平行于主光轴的光线，经透镜折射后交于透镜的后焦点F:所 有通过前焦点F,的光线，经透镜折射后，均平行于主光轴：任何一组平行光线，经透镜 折射后，必交于焦面的某一点。 3)任意一点（焦点除外）A发出的光线，经过透镜折射后，交于a,a就是物点A的像， 在图中物体AB到透镜中心的距离D,称为物距，其构像ab到透镜中心的距离d,称为 像距，D、d和f三者之间的关系由相似三角形得： 1/f=1/D+1/d (5-1) 该式称为透镜公式，也叫光距公式，反映了透镜成像的基本原理。 2
2 光圈是用来控制进入镜头的光线的多少的，镜箱是不透明的，以防止不经物镜的光线从侧 面进入摄影机内，暗盒部分是用来 装感光片的。 在整个摄影机中，镜头是最 重要的部件，它是由一组复合透 镜所组成的光学系统，其折射和 会聚作用比较复杂，下面把它简 化为单透镜成像原理来讨论。 2 透镜的主要成像特性 (1)成像原理—透镜公式 透镜一般用光学玻璃做成， 是一个以两个球面为界限的透明 体，可分为凸透镜和凹透镜两种。各式透镜的球面中心位置，球面曲率半径，以及原材料 的折射率等，都是彼此不同的。因此，它们聚焦光线和发射光线的特性也是彼此不同的。 如图 5-3 所示，透镜两球面中心叫主点(Ｓ１、Ｓ２)，通过两主点的光线叫主光轴，通 过主点与主光轴垂直的平面称主面(Ｐ１、Ｐ２)，与主光轴平行的光线，经过镜头折射汇聚 在主光轴上一点，称焦点，焦点有前后两个(Ｆ１、Ｆ２)，通过焦点与主光轴垂直的平面称 焦平面，主点到焦点的距离就是镜头的焦距(ｆ）。根据光学原理，透镜具有下边几个特点： 图 5-3 透镜成像原理 １）所有光线，通过透镜后都要发生折射，唯有通过透镜中心的光线不发生折射。 ２）所有从物方来的平行于主光轴的光线，经透镜折射后交于透镜的后焦点Ｆ２；所 有通过前焦点Ｆ１的光线，经透镜折射后，均平行于主光轴；任何一组平行光线，经透镜 折射后，必交于焦面的某一点。 ３）任意一点(焦点除外)A 发出的光线，经过透镜折射后，交于 a，a 就是物点 A 的像， 在图中物体ＡＢ到透镜中心的距离Ｄ，称为物距，其构像ａｂ到透镜中心的距离ｄ，称为 像距，Ｄ、ｄ和ｆ三者之间的关系由相似三角形得： １／f＝１／D＋１／d （5-1） 该式称为透镜公式，也叫光距公式，反映了透镜成像的基本原理。 图 5-2 摄影机的构造 s2 a b f D d B A P1 P2 s1
(2)物镜的相对孔径和透光率 物镜的相对孔径，是其光孔直径d与焦距f之比，即d/。 像点的亮度决定于物镜的透光力，透光力与其光孔直径的平方成正比，与其焦距的平 方成反比，即 物镜透光力：D=d/rXK=(已)：·K (5-2) K为透光系数，其值为K=由物镜射出的光线亮度/进入物镜的光线亮度，它小于1 透镜的焦距一般是固定的，所以透光力只能由调节光孔的大小来控制。大多数物镜的 最大光孔直径是小于焦距的，假设相对孔径用1/「/d来表示，则称「/d为相对孔径 的分母，其值表示物镜的焦距比它的光孔直径大多少倍。因此，相对孔径的分母愈大则物 镜的诱光力愈弱。 物镜最大孔径的大小，在一定程度上反映了物镜的光学特性，f/的数值愈小，即最 大相对孔径愈大，物镜光学质量愈高。 (3)物镜的分辨率 分辨率也称分辨力或解像力，是物镜的重要特性之一，它说明物镜对被摄物体的表达 能力。分辨力的大小，是按焦面上一毫米的宽度范围内，能够构成互相平行、间隔相等、 彼此不连的线条数来表示的，单位为线/毫米(R)。 (4)透镜的构像误差 按照几何光学原理， 一个理想的透镜构像，应当是使物平面上的每个物点，通过透镜 后，在像平面上都有一个相应的像点。要达到这点就必须要求透镜本身是一个不使光线弯 曲的小孔。然而， 一个单透镜构像时，总是包括一束光线，而光线中各种色光的折射率不 同。加上透镜中间部分和边缘部分的折射率不同，以及受光线入射角和透镜结构等因素的 影响，就造成了不能按成像原则构像的缺点。主要表现为：光线通过透镜后不能会聚于同 一焦点，致使构像变形，具影形像模糊，出现了构像误差。因此任何一个单独诱镜都不能构成 完全正确的光学影像。镜头通常都是由两个及其以上的透镜组合而成的，就是为了对单透 镜的构像误差进行补偿，以改善构像质量。 透镜构像误差主要包括球面像差、色像差、彗形像差，畸变差和像场弯曲等。 景深：被摄物体在影像上清晰的范围叫景深，它与镜头特性即光圈大小、焦距长短、 物距远近都有关系。一般而言，光圈越小、焦距越短、物距越大，景深越大：光圈越大、 焦距越长、物距越小，景深越小。 5.1.3感光片工作原理 感光片是摄影成像的探测器件，负责目标物信息的接收、记录和输出，下面简单讨论 其结构和成像原理。 3
3 (2)物镜的相对孔径和透光率 物镜的相对孔径，是其光孔直径ｄ与焦距ｆ之比，即ｄ／ｆ。 像点的亮度决定于物镜的透光力，透光力与其光孔直径的平方成正比，与其焦距的平 方成反比，即 物镜透光力：Ｄ＝ｄ２／ｆ２×Ｋ＝（ f d ）２·K (5-2) Ｋ为透光系数，其值为Ｋ＝由物镜射出的光线亮度／进入物镜的光线亮度，它小于１。 透镜的焦距一般是固定的，所以透光力只能由调节光孔的大小来控制。大多数物镜的 最大光孔直径是小于焦距的，假设相对孔径用 1／ｆ／ｄ来表示，则称ｆ／ｄ为相对孔径 的分母，其值表示物镜的焦距比它的光孔直径大多少倍。因此，相对孔径的分母愈大则物 镜的透光力愈弱。 物镜最大孔径的大小，在一定程度上反映了物镜的光学特性，f/d 的数值愈小，即最 大相对孔径愈大，物镜光学质量愈高。 (3)物镜的分辨率 分辨率也称分辨力或解像力，是物镜的重要特性之一，它说明物镜对被摄物体的表达 能力。分辨力的大小，是按焦面上一毫米的宽度范围内，能够构成互相平行、间隔相等、 彼此不连的线条数来表示的，单位为线／毫米(Ro)。 (4)透镜的构像误差 按照几何光学原理，一个理想的透镜构像，应当是使物平面上的每个物点，通过透镜 后，在像平面上都有一个相应的像点。要达到这点就必须要求透镜本身是一个不使光线弯 曲的小孔。然而，一个单透镜构像时，总是包括一束光线，而光线中各种色光的折射率不 同。加上透镜中间部分和边缘部分的折射率不同，以及受光线入射角和透镜结构等因素的 影响，就造成了不能按成像原则构像的缺点。主要表现为：光线通过透镜后不能会聚于同 一焦点，致使构像变形，影像模糊，出现了构像误差。因此任何一个单独透镜都不能构成 完全正确的光学影像。镜头通常都是由两个及其以上的透镜组合而成的，就是为了对单透 镜的构像误差进行补偿，以改善构像质量。 透镜构像误差主要包括球面像差、色像差、彗形像差，畸变差和像场弯曲等。 景深：被摄物体在影像上清晰的范围叫景深，它与镜头特性即光圈大小、焦距长短、 物距远近都有关系。一般而言，光圈越小、焦距越短、物距越大，景深越大；光圈越大、 焦距越长、物距越小，景深越小。 5.1.3 感光片工作原理 感光片是摄影成像的探测器件，负责目标物信息的接收、记录和输出，下面简单讨论 其结构和成像原理
1感光片的结构和基本成分 感光片是由感光乳剂涂布于片基上而成的，其负片结构如图5一4所示，各层的主要特 性与作用如下： (1)乳剂层 到剂层是感光片最主要的部分，为涂除布于片基上的一层明胶横隙，其主要成分是卤化 银和明胶。此外，还含有增强乳剂感色性的染料和防止产生灰雾以及其它作用的一些药剂。 不同感光片的乳剂层厚度不一，一般为10~25μm,卤（溴）化银晶粒大小不等，在0.1~5 μm之间，每平方厘米乳剂层内包含有1.6~3.6×10粒，感光乳剂中卤化银以品粒状态悬 浮在明胶中，是感光剂，以溴化银为例，它的品体结构为立方体。图5-5为Ag*和Br的排 列情况，结构中心分布有缺陷、或由银、硫化银等所组成的微斑一感光中心。这是形成潜 影的条件。入射光从溴化银中把银原子分解出来，集中到缺陷或微斑上形成潜影。 明胶是一种透明色动物蛋白，为卤化银的分布介质，本身不具感光性。主要起支持作 用。明胶中含有的硫化物有助于形成感光中心，明胶有吸溴作用，在光化过程中起加速作 用。它遇水膨胀，本身的许多小孔也随着扩大，在冲洗时药液便于自由进出乳剂层与AgB 进行反应，干燥后立即复原，能保护影像质量。 9 @ 明收保护层 一高速乳剂层 低物剂黑 中间层 9 B) 片基 © A7 防光层 88 9 图5-4感光材料结构 图5-5AeBr品格 (2)片基 片基是乳剂层的载体，常用材料有玻璃、硝酸纤维和醋酸纤维及纸，分别称为硬片 软片和像纸。由于硝酸纤维者火点（燃点）很低，容易燃烧，特别是老化时，遇高气温和摩 擦时能自燃，在使用和保管时应注意。现在此类片基已被淘汰，生产的软片都以三醋酸纤 维素酯作片基，近年来研究试验用聚酯（涤纶）片基和聚碳酸酯作片基。其中聚酯片基具有 强度大，柔和性好，吸水膨胀率小，尺寸稳定性好，耐寒性好等一系列优点
4 1 感光片的结构和基本成分 感光片是由感光乳剂涂布于片基上而成的，其负片结构如图 5-4 所示，各层的主要特 性与作用如下： (1)乳剂层 乳剂层是感光片最主要的部分，为涂布于片基上的一层明胶薄膜，其主要成分是卤化 银和明胶。此外，还含有增强乳剂感色性的染料和防止产生灰雾以及其它作用的一些药剂。 不同感光片的乳剂层厚度不一，一般为 10～25μm，卤(溴)化银晶粒大小不等，在 0.1～5 μm 之间，每平方厘米乳剂层内包含有 1.6～3.6×10８粒，感光乳剂中卤化银以晶粒状态悬 浮在明胶中，是感光剂，以溴化银为例，它的晶体结构为立方体。图 5-5 为 Ag＋和 Br-的排 列情况，结构中心分布有缺陷、或由银、硫化银等所组成的微斑—感光中心。这是形成潜 影的条件。入射光从溴化银中把银原子分解出来，集中到缺陷或微斑上形成潜影。 明胶是一种透明色动物蛋白，为卤化银的分布介质，本身不具感光性。主要起支持作 用。明胶中含有的硫化物有助于形成感光中心，明胶有吸溴作用，在光化过程中起加速作 用。它遇水膨胀，本身的许多小孔也随着扩大，在冲洗时药液便于自由进出乳剂层与 AgBr 进行反应，干燥后立即复原，能保护影像质量。 (2)片基 片基是乳剂层的载体，常用材料有玻璃、硝酸纤维和醋酸纤维及纸，分别称为硬片、 软片和像纸。由于硝酸纤维着火点(燃点)很低，容易燃烧，特别是老化时，遇高气温和摩 擦时能自燃，在使用和保管时应注意。现在此类片基已被淘汰，生产的软片都以三醋酸纤 维素酯作片基，近年来研究试验用聚酯(涤纶)片基和聚碳酸酯作片基。其中聚酯片基具有 强度大，柔和性好，吸水膨胀率小，尺寸稳定性好，耐寒性好等一系列优点。 图 5-4 感光材料结构 图 5-5 AgBr 晶格