各种光学仪器成像技术（上）

光学是一门很古老的学科，按照Optics的意思，它主要是研究可见光波段的问题。

光学也是一门很有意思的学科。从把光抽象成射线进行处理（光线光学）到把光纳入电磁波的范围（物理光学）再到光的粒子特性的发现（量子光学），人类对光的认知也随着物理学本身的发展而不断进步。

光学本身也是一个和其他领域眼缘很好的学科，比如和电学、材料学等都有交叉。而它最常见也是最古老的一个应用背景就是成像。要想理解世界，观察和测量必不可少。

从尺度上讲，科研人员最感兴趣的就是两极的情形——宏观和微观，分别对应天文成像和显微成像。为了看到更小的物体，特别是生物中的细胞和组织，光学显微镜被发明出来了。对于光学显微成像来说，基本的指标有视场、分辨率、放大率等。其中，分辨率作为显微成像的圣杯，一直是科研人员所追求的。2014年的诺贝尔化学奖就颁给了3位突破了传统光学仪器衍射极限从而获得超分辨图像的科学家。

更高的分辨率代表着能看清楚更小的物体。但传统光学仪器的进步一直也伴随着其体量和成本的增加。一台差不多要占据半个实验台的商用STED显微镜的价格差不多是130万刀。这只有大型研究机构或资金非常充足的实验室才能买得起。而即便是最简单的高中实验室的光学显微镜也要几千块，同时看起来也相当笨拙。有没有可以将“看得更小”这件事变得便宜和便携的方法呢？答案是有的！解决方案就是计算光学成像。

一个典型的光学成像系统需要哪些部分呢？光源、光学成像器件以及探测器。这其中最昂贵的就是光学成像器件，比如透镜。它起的作用叫做constructive interference。就是把物体发散的光线重新聚拢，从而得到像。

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。