各種光學儀器成像技術（上）

光學是一門很古老的學科，按照Optics的意思，它主要是研究可見光波段的問題。

光學也是一門很有意思的學科。從把光抽象成射線進行處理（光線光學）到把光納入電磁波的范圍（物理光學）再到光的粒子特性的發現（量子光學），人類對光的認知也隨著物理學本身的發展而不斷進步。

光學本身也是一個和其他領域眼緣很好的學科，比如和電學、材料學等都有交叉。而它最常見也是最古老的一個應用背景就是成像。要想理解世界，觀察和測量必不可少。

從尺度上講，科研人員最感興趣的就是兩極的情形——宏觀和微觀，分別對應天文成像和顯微成像。為了看到更小的物體，特別是生物中的細胞和組織，光學顯微鏡被發明出來了。對于光學顯微成像來說，基本的指標有視場、分辨率、放大率等。其中，分辨率作為顯微成像的圣杯，一直是科研人員所追求的。2014年的諾貝爾化學獎就頒給了3位突破了傳統光學儀器衍射極限從而獲得超分辨圖像的科學家。

更高的分辨率代表著能看清楚更小的物體。但傳統光學儀器的進步一直也伴隨著其體量和成本的增加。一臺差不多要占據半個實驗臺的商用STED顯微鏡的價格差不多是130萬刀。這只有大型研究機構或資金非常充足的實驗室才能買得起。而即便是最簡單的高中實驗室的光學顯微鏡也要幾千塊，同時看起來也相當笨拙。有沒有可以將“看得更小”這件事變得便宜和便攜的方法呢？答案是有的！解決方案就是計算光學成像。

一個典型的光學成像系統需要哪些部分呢？光源、光學成像器件以及探測器。這其中最昂貴的就是光學成像器件，比如透鏡。它起的作用叫做constructive interference。就是把物體發散的光線重新聚攏，從而得到像。

幾何光學是光學設計的基礎，要做好光學設計必須懂得一些光學儀器的成像原理，今天光電資訊為大家整理了一些關于各種光學儀器成像原理內容，后面還有ZEMAX的學習視頻，大家不要錯過哦！

光學成像

利用折射、反射等手段將物的信息再現。成像是幾何光學研究的核心問題之一。

實像與虛像、實物與虛物

1，物和像都是由一系列的點構成的，物點和像點一一對應。 2，實物、實像的意義在于有光線實際發自或通過該點，而虛物、虛像僅僅是由光的直線傳播性質給人眼造成的一種錯覺，實際上并沒有光線經過該點。 3，物和像具有相對性，虛實之間也可以進行轉換。
等光程面和嚴格成像
理想成像的基本要求是滿足同心光束的不變性，并且從整個物和像的對應關系看，還必須要滿足物像間的相似性。空間上各個點之間的相互位置要一一對應，同時每一對物像點的顏色要一一對應。要求成像的光學系統不產生畸變，沒有像差、色差等。理想光具組是嚴格成像的必要條件。

投影儀

投影儀的結構

投影儀的關鍵參數亮度：家用一般 2000-3000 ANSI 流明（輻射光學部分細講）標準分辨率（真實分辨率或物理分辨率）對比度：明暗區域最亮的白色和最暗的黑色之間
的不同亮度層級的測量（人眼一般接近2000:1）

投射比：投影距離D / 畫面寬度W。（越小說明在相同距離下，投射的畫面越大） 計算投影和幕布大小、距離之間的最佳關系。

投射比一般在1.5-1.9之間，小于1時一般稱為短焦鏡頭，小于0.6稱為超短焦。投影幕布一般用對角線的英寸數來標識，需要根據長寬比進行折算。

關于投影的幕布選擇

玻珠幕， 表面增加了光學晶體玻璃球的涂層。特點是畫面有鮮明的焦點感和活力，增益高、視角小。而最大的特點是“光線回歸性”，即反射光線沿入
射光線的方向返回，這也是增益高的一個原因，對光線有一定的“收集”效果。

白塑幕，直接采用粗白紋面料，不做表面處理。特點是能把投影機的性能，原原本本的表現出來，
不加修飾，增益低、視角很大、顏色自然。

照相機

照相機的最簡結構—箱式照相機

特點：無反光鏡，直接取景對焦。

缺點：早先對焦慢，現代數碼無反相機（微單）對焦速度可達0.06秒以內（sony a6000）！

雙鏡頭反光照相機（ “雙反”Twin-Lens Reflex-TLR）

特點：兩個鏡頭，上面的鏡頭通過固定的反光鏡負責取景聚焦，與下面鏡頭聯動；下面的鏡頭負責將影像傳送到膠片上。

缺點：體積較大，操作不便，更換鏡頭時 需要兩個一起更換。

單鏡頭反光照相機

特點：（1）五棱鏡、（2）反光板。幾乎 完美解決了“所見即所得”的問題。 缺點：（1）活動式反光板使相機體積增大；（2）反光板開啟的振動、機械切換時間等 影響相機的性能。

單反到無反的輪回

照相機的幅面與視角

照相機鏡頭的焦距與視場角

照相機鏡頭的焦距與像的大小

焦距越長，像越大（在固定大小的底片上所能收集的圖像比例越小，與視場角的縮小相對應）

鏡頭的焦距決定了視場，也就是鏡頭能夠拍到多“寬”的畫面。如果光線的交 點離傳感器比較近的情況。

這會讓被攝體的成像較小，反之則會較大。因此， 短焦距會產生較寬的視場——這就是短焦距鏡頭被稱作“廣角”鏡頭的原因。

反之也成立：長焦距產生較窄的視場，這類鏡頭被稱作“長焦”鏡頭。

照相機鏡頭的焦距與縱向間隔

短焦距，縱向間隔大 ，長焦距，縱向間隔小。

鏡頭的視場與像場

標準鏡頭的焦距以相機成像面的畫
幅對角線長度為準，當鏡頭焦距接近某 類相機成像面的畫幅對角線長度時被稱 為該類相機的標準焦距鏡頭，簡稱標準 鏡頭或標頭。 標準焦距鏡頭的視角約50° ，焦距 通常為45-55mm，畫面透視關系類似 于人眼所感覺到的透視關系，拍攝效果比較平實。是最基本的攝影鏡頭。

照相機的快門—光闌

光闌的定義：對光具組成像時的光束孔徑、成像點偏離光軸的范圍加以限制的透
鏡邊框、框架或特別設置的帶孔屏障。光闌是球面光具組近似成像的必然要求。孔徑光闌(aperture diaphragm)：決定軸上物點通過光具組光束孔徑的光闌稱為
孔徑光闌或有效光闌。被孔徑光闌所限制的物、像方成像光束的張角分別叫做入 射孔徑角和出射孔徑角。孔徑光闌是軸上物點傍軸條件的要求。入射光瞳(pupil)和出射光瞳：孔徑光闌在物方和像方的共軛。

孔徑光闌和光瞳是對特定共軛物、像點而言的，不同的共軛點可以有不同的孔徑光闌和光瞳。

主光線：物、像共軛光束中，與通過入射光瞳和出射光瞳中心光線共軛的光線。

視場光闌(field
diaphragm)：決定軸外物點的主光線能否通過光具組的光闌。恰好能通過光具組主光線與光軸在物方和像方的夾角叫做入射視場角和出射視場角。視場光闌是軸外物點
傍軸條件的要求。

入射窗(window)和出射窗：視場光闌在物方像方的共軛。

漸暈：當物點逐漸遠離光軸時，參與成像的光線逐漸減少，導致圖像逐漸昏暗， 稱作漸暈。當入射窗就在物平面上時，漸暈將不出現。

照相機的光圈



照相機的景深和焦深

景深的作用：前景、背景均被虛化



影響景深的因素

景深與光圈的關系

影響景深的因素總結

鏡頭參數

總結

以上是生活随笔為你收集整理的各种光学仪器成像技术（上）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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