详解各种光学仪器成像原理

点击上方“小白学视觉”，选择加"星标"或“置顶”
重磅干货，第一时间送达

几何光学是光学设计的基础，要做好光学设计必须懂得一些光学仪器的成像原理，今天光电资讯为大家整理了一些关于各种光学仪器成像原理内容，后面还有ZEMAX的学习视频，大家不要错过哦！

光学成像

利用折射、反射等手段将物的信息再现。成像是几何光学研究的核心问题之一。

实像与虚像、实物与虚物

1，物和像都是由一系列的点构成的，物点和像点一一对应。 

2，实物、实像的意义在于有光线实际发自或通过该点，而虚物、虚像仅仅是由光的直线传播性质给人眼造成的一种错觉，实际上并没有光线经过该点。 

3，物和像具有相对性，虚实之间也可以进行转换。 

等光程面和严格成像

理想成像的基本要求是满足同心光束的不变性，并且从整个物和像的对应关系看，还必须要满足物像间的相似性。

空间上各个点之间的相互位置要一一对应，同时每一对物像点的颜色要一一对应。

要求成像的光学系统不产生畸变，没有像差、色差等。

理想光具组是严格成像的必要条件。

投影仪

投影仪的结构

投影仪的关键参数

亮度：家用一般 2000-3000 ANSI 流明（辐射光学部分细讲）

标准分辨率（真实分辨率或物理分辨率）

对比度：明暗区域最亮的白色和最暗的黑色之间 的不同亮度层级的测量（人眼一般接近2000:1）

投射比：投影距离D / 画面宽度W。（越小说明在相同距离下，投射的画面越大） 计算投影和幕布大小、距离之间的最佳关系。

投射比一般在1.5-1.9之间，小于1时一般称为短焦镜头，小于0.6称为超短焦。投影幕布一般用对角线的英寸数来标识，需要根据长宽比进行折算。

关于投影的幕布选择

玻珠幕， 表面增加了光学晶体玻璃球的涂层。特点是画面有鲜明的焦点感和活力，增益高、视角小。而最大的特点是“光线回归性”，即反射光线沿入 射光线的方向返回，这也是增益高的一个原因，对光线有一定的“收集”效果。 

白塑幕，直接采用粗白纹面料，不做表面处理。特点是能把投影机的性能，原原本本的表现出来， 不加修饰，增益低、视角很大、颜色自然。

照相机

照相机的最简结构—箱式照相机

特点：无反光镜，直接取景对焦。 

缺点：早先对焦慢，现代数码无反相机（微单）对焦速度可达0.06秒以内（sony a6000）！

双镜头反光照相机（ “双反” Twin-Lens Reflex-TLR）

特点：两个镜头，上面的镜头通过固定的反光镜负责取景聚焦，与下面镜头联动；下面的镜头负责将影像传送到胶片上。 

缺点：体积较大，操作不便，更换镜头时 需要两个一起更换。

单镜头反光照相机

特点：（1）五棱镜、（2）反光板。几乎 完美解决了“所见即所得”的问题。 

缺点：（1）活动式反光板使相机体积增大；（2）反光板开启的振动、机械切换时间等 影响相机的性能。

单反到无反的轮回

照相机的幅面与视角

照相机镜头的焦距与视场角

照相机镜头的焦距与像的大小

焦距越长，像越大（在固定大小的底片上所能收集的图像比例越小， 与视场角的缩小相对应）

镜头的焦距决定了视场，也就是镜头能够拍到多“宽”的画面。如果光线的交 点离传感器比较近的情况。

这会让被摄体的成像较小，反之则会较大。因此， 短焦距会产生较宽的视场——这就是短焦距镜头被称作“广角”镜头的原因。 

反之也成立：长焦距产生较窄的视场，这类镜头被称作“长焦”镜头。

照相机镜头的焦距与纵向间隔

短焦距，纵向间隔大 ，长焦距，纵向间隔小。

镜头的视场与像场

标准镜头的焦距以相机成像面的画 幅对角线长度为准，当镜头焦距接近某 类相机成像面的画幅对角线长度时被称 为该类相机的标准焦距镜头，简称标准 镜头或标头。 

标准焦距镜头的视角约50° ，焦距 通常为45-55mm，画面透视关系类似 于人眼所感觉到的透视关系，拍摄效果 比较平实。是最基本的摄影镜头。

照相机的快门—光阑

光阑的定义：对光具组成像时的光束孔径、成像点偏离光轴的范围加以限制的透 镜边框、框架或特别设置的带孔屏障。

光阑是球面光具组近似成像的必然要求。孔径光阑(aperture diaphragm)：决定轴上物点通过光具组光束孔径的光阑称为 孔径光阑或有效光阑。

被孔径光阑所限制的物、像方成像光束的张角分别叫做入 射孔径角和出射孔径角。孔径光阑是轴上物点傍轴条件的要求。 

入射光瞳(pupil)和出射光瞳：孔径光阑在物方和像方的共轭。

孔径光阑和光瞳是对特定共轭物、像点而言的，不同的共轭点可以有不同的孔径光阑和光瞳。

主光线：物、像共轭光束中，与通过入射光瞳和出射光瞳中心光线共轭的光线。 

视场光阑(field diaphragm)：决定轴外物点的主光线能否通过光具组的光阑。恰好能通过光具组主光线与光轴在物方和像方的夹角叫做入射视场角和出射视场角。视场光阑是轴外物点 傍轴条件的要求。 

入射窗(window)和出射窗：视场光阑在物方像方的共轭。 

渐晕：当物点逐渐远离光轴时，参与成像的光线逐渐减少，导致图像逐渐昏暗， 称作渐晕。当入射窗就在物平面上时，渐晕将不出现。

照相机的光圈

照相机的景深和焦深

景深的作用：前景、背景均被虚化

影响景深的因素

景深与光圈的关系

影响景深的因素总结

镜头参数

像差

像差—球面像差

轴上物点发出的大孔径光线不聚焦于一点。

像差—彗形像差

轴外物点发出的宽光束不再交于一点，形成状如彗星的亮斑，称为彗差。

像差—像散

轴外物点发出的宽光束，水平方向和竖直方向的光线的汇聚点在不同平面上，并且两处的汇聚点演化为两条相互垂直的线， 称为像散。

明晰圈是放置底片的 最佳位置。

像差—像场弯曲

像差—畸变

对于物平面上所有的点，横向放大率随离光轴的距离变化，使像平面上的图形与原物不成比例。与球差、彗差和像散不同， 畸变不破坏光束的同心性，从而不影响像的清晰度。

像差—色差

折射率随颜色(波长)而变，致使白光成像时，不同颜色的光所成的像位置和大小都不同，称为色差。分为轴向（位置）色差、 横向（放大率）色差。

放大镜和目镜

放大镜是一种目镜，作用是成一放大的虚像，便于眼睛观察。

特点：物在物方焦面内侧，像距约为明视距离。

目镜用在光学仪器上，作用与放大镜相似，都是在明视距离附近成一个眼睛可直接观察的虚像。 通常都与物镜结合使用，观察物镜所成的实像。目镜设计的重点之一是消除视觉色差。

显微镜

具有高放大倍数的光学仪器，由物镜组和目镜组构成。

显微镜的光路与原理

显微目镜的参数及标识

目镜类别：惠更斯目镜（H）、冉斯登目镜（R）， 凯尔纳目镜(K)，等

放大倍数，5×，10×，…… 

目视场直径（mm）Φ20，…… 

10×/18，表示放大倍率10倍，视场18mm

显微物镜的参数及标识

显微物镜的色环和数值孔径

望远镜

用于观察远处物体，将物体对眼睛的张角扩大，相当于在近处成一缩小的实像，再通过目镜观察。

哈勃太空望远镜结构示意图

Kepler望远镜

Galileo望远镜

Newton反射式望远镜

双筒望远镜

眼睛

视觉系统

视觉对色彩的响应

人类视觉系统的特点

以上就是为大家带来的关于各种光学仪器成像原理内容！

好消息！
小白学视觉知识星球
开始面向外开放啦👇👇👇



下载1：OpenCV-Contrib扩展模块中文版教程
在「小白学视觉」公众号后台回复：扩展模块中文教程，即可下载全网第一份OpenCV扩展模块教程中文版，涵盖扩展模块安装、SFM算法、立体视觉、目标跟踪、生物视觉、超分辨率处理等二十多章内容。

下载2：Python视觉实战项目52讲
在「小白学视觉」公众号后台回复：Python视觉实战项目，即可下载包括图像分割、口罩检测、车道线检测、车辆计数、添加眼线、车牌识别、字符识别、情绪检测、文本内容提取、面部识别等31个视觉实战项目，助力快速学校计算机视觉。

下载3：OpenCV实战项目20讲
在「小白学视觉」公众号后台回复：OpenCV实战项目20讲，即可下载含有20个基于OpenCV实现20个实战项目，实现OpenCV学习进阶。

交流群

欢迎加入公众号读者群一起和同行交流，目前有SLAM、三维视觉、传感器、自动驾驶、计算摄影、检测、分割、识别、医学影像、GAN、算法竞赛等微信群（以后会逐渐细分），请扫描下面微信号加群，备注：”昵称+学校/公司+研究方向“，例如：”张三 + 上海交大 + 视觉SLAM“。请按照格式备注，否则不予通过。添加成功后会根据研究方向邀请进入相关微信群。请勿在群内发送广告，否则会请出群，谢谢理解~