Формирование изображения в телевизионных системах

Геометрическая оптика основывается не только на постулате об однородности среды, но и о прямолинейности и взаимной независимости распространения в ней световых пучков, обратимости хода световых лучей, известных законах отражения и преломления света, принципе Ферма и законе сохранения энергии.

В результате расчетов определяются характеристики механической конструкции устройства и требуемые з

начения их вариаций в процессе фокусировки, изменения яркости, спектрального состава и других параметров; производится выбор оптических элементов.

Расчет оптического узла базируется на свойствах кардинальных точек, данных о главной и фокальных плоскостях, а также фокусных расстояниях. Луч 1 (рис.2), параллельный оптической оси объектива, в пространстве изображений 1' пересечет оптическую ось в точке F'. Эта точка называется задним фокусом объектива и является изображением бесконечно удаленного точечного объекта. В этой точке собираются все лучи, распространяющиеся параллельно оптической оси, в том числе и луч, совпадающий с оптической осью, который проходит через точку фокуса без изменения направления своего распространения в оптической системе.

Параллельные лучи при распространении в обратном направлении (2 и 2') собираются в точку переднего фокуса F. Лучи 1 и 1' называют сопряженными, их продолжение образует точку N', лежащую в задней главной плоскости объектива (N' Н'). Аналогично образуется точка N, лежащая в передней главной плоскости (N H).

Важнейшей рабочей характеристикой объектива является его фокусное расстояние f: переднее - от передней главной плоскости до точки переднего фокуса (f), заднее - от задней главной плоскости до точки заднего фокуса f). Плоскости, проходящие через точки фокусов F и F' перпендикулярно оптической оси, называют передней и задней фокальными плоскостями. Фокальные плоскости являются геометрическим местом точек, в которых собираются пучки параллельных между собой лучей пространства предметов произвольного угла наклона к оптической оси системы, например пучок лучей L собирается в точке L', лежащей в задней фокальной плоскости.

Построение оптического изображения сцены рассмотрим на примере отрезка АВ, определяющего положение предмета (рис.3). Оптическую систему зададим положением главных плоскостей F и F' фокусов F и F'. Из точки В проведем лучи: 1, параллельный оптической оси, и 2, проходящий через передний фокус F объектива. Первый в пространстве изображений пройдет через задний фокус F' (l'), а второй будет распространяться параллельно оптической оси (2'). Их пересечение В' образует изображение (сопряженную точку) соответствующей точки В сцены. Изображение точки А, лежащей на оптической оси, можно получить, проведя из точки В' перпендикуляр к оптической оси: точка А' будет изображением точки Л.

Найти ее можно также путем графического построения. Выберем произвольный луч 3. Этот луч пересечет переднюю главную плоскость. Через передний фокус F проведем перпендикуляр к оптической оси объектива и из точки С пересечения его с лучом 3 построим линию (пунктир 4), параллельную оптической оси, до пересечения ее с задней главной плоскостью. Если точку С считать источником света, который находится, как видно из рис.1.3, в передней фокальной плоскости, то воображаемый луч 4 пройдет через задний фокус F', а луч, распространяющийся из точки С по пути 3, в пространстве изображений будет параллелен лучу 4' (так как луч 3 и воображаемый луч 4 выходят из одной точки С, лежащей в передней фокальной плоскости), т.е. это луч 3'. Его пересечение с оптической осью и будет изображением точки А.

Таким образом, плоскость, проходящая перпендикулярно оптической оси системы и включающая отрезок А'В', будет плоскостью резкого изображения сцены (плоскостью фокусировки), содержащей изображение отрезка АВ.

Рис 2. Кардинальные точки оптической системы

Для определения положения плоскости фокусировки изображения или соответствующих сопряженных точек относительно переднего и заднего фокусов можно воспользоваться аналитическими соотношениями, вытекающими из уравнения Ньютона.

Для определения фокусных расстояний и положения главных плоскостей сложной оптической системы рассмотрим входной луч 2, параллельный оптической оси, и проследим, как указано выше, его прохождение через сложную оптическую систему. Обозначим расстояние луча 2 от оптической оси h2. В результате построения установим, что на выходе этот луч пересечет оптическую ось в точке F. Эта точка и определит заднее фокусное расстояние F - эквивалентное заднее фокусное расстояние рассматриваемой оптической системы.

Для определения переднего фокусного расстояния fx, положения точки фокуса Fx и передней главной плоскости Нъ следует произвести построение хода лучей в обратном направлении.

Таким образом, рассматриваемая сложная оптическая система может быть сведена к эквивалентной, определены ее параметры, которые могут быть использованы для построения изображения.

Выше рассматривалось построение изображения плоской сцены. В процессе анализа формирования изображения объемной сцены вводят понятие о глубине изображаемого пространства.

Если учесть, что светочувствительные элементы преобразователя изображения ТВС имеют конечные размеры, например 5 х 5, то точки 1,2,3 и все элементы сцены, лежащие между плоскостями Н2 и H3, будут переданы практически с одинаковой резкостью, если будут выполнены условия, т.е. если кружки рассеяния не превысят размеры элемента разложения преобразователя изображения. Плоскости H2 и H3 будут ограничивать пространство объектов, передаваемых с заданной четкостью.

Рис. 3. К определению поля зрения оптической системы

Можно показать, что глубина пространства А3 (в сторону к объективу) меньше, чем в сторону удаления от плоскости наведения (А2). Глубина изображаемого пространства увеличивается с увеличением расстояния а до передаваемого объекта и с уменьшением диаметра диафрагмы D, ограничивающей входной световой поток.

Роль диафрагмы, ограничивающей световой поток, существенна в формировании изображения не только в отношении глубины пространства, отображаемого с заданной резкостью. Диафрагмы определяют и ту часть сцены в направлении, перпендикулярном оптической оси, которая может быть отображена на изображении, т.е. определяют поле зрения оптической системы.

Положим, что D (рис.3) - действительная диафрагма, которая ограничивает пучок световых лучей, участвующих в формировании изображения, - апертурная диафрагма, DxuD2 - изображения этой диафрагмы в передней и задней частях оптической системы. Если Dy или D2 заменить реальными диафрагмами, то они будут ограничивать световой поток так же, как диафрагма D. На основании этого в оптике вводят понятие о входном зрачке Di - действительном отверстии или его изображении, которое ограничивает падающий световой пучок. Выходным зрачком D2 называют изображение входного зрачка всей системой.

 Скачать реферат