關(guān)于各種光學(xué)儀器成像原理詳解

幾何光學(xué)是光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，要做好光學(xué)設(shè)計(jì)必須懂得一些光學(xué)儀器的成像原理，今天光電資訊為大家整理了一些關(guān)于各種光學(xué)儀器成像原理內(nèi)容。

光學(xué)成像

利用折射、反射等手段將物的信息再現(xiàn)。成像是幾何光學(xué)研究的核心問題之一。

實(shí)像與虛像、實(shí)物與虛物

1，物和像都是由一系列的點(diǎn)構(gòu)成的，物點(diǎn)和像點(diǎn)一一對應(yīng)。? 2，實(shí)物、實(shí)像的意義在于有光線實(shí)際發(fā)自或通過該點(diǎn)，而虛物、虛像僅僅是由光的直線傳播性質(zhì)給人眼造成的一種錯(cuò)覺，實(shí)際上并沒有光線經(jīng)過該點(diǎn)。? 3，物和像具有相對性，虛實(shí)之間也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。? 等光程面和嚴(yán)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(gè)物和像的對應(yīng)關(guān)系看，還必須要滿足物像間的相似性。 空間上各個(gè)點(diǎn)之間的相互位置要一一對應(yīng)，同時(shí)每一對物像點(diǎn)的顏色要一一對應(yīng)。 要求成像的光學(xué)系統(tǒng)不產(chǎn)生畸變，沒有像差、色差等。 理想光具組是嚴(yán)格成像的必要條件。

投影儀

投影儀的結(jié)構(gòu)

投影儀的關(guān)鍵參數(shù) 亮度：家用一般 2000-3000 ANSI 流明（輻射光學(xué)部分細(xì)講） 標(biāo)準(zhǔn)分辨率（真實(shí)分辨率或物理分辨率） 對比度：明暗區(qū)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(jì)算投影和幕布大小、距離之間的最佳關(guān)系。

投射比一般在1.5-1.9之間，小于1時(shí)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(shù)來標(biāo)識，需要根據(jù)長寬比進(jìn)行折算。

關(guān)于投影的幕布選擇

玻珠幕， 表面增加了光學(xué)晶體玻璃球的涂層。特點(diǎn)是畫面有鮮明的焦點(diǎn)感和活力，增益高、視角小。而最大的特點(diǎn)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(gè)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(diǎn)是能把投影機(jī)的性能，原原本本的表現(xiàn)出來， 不加修飾，增益低、視角很大、顏色自然。

照相機(jī)

照相機(jī)的最簡結(jié)構(gòu)—箱式照相機(jī)

特點(diǎn)：無反光鏡，直接取景對焦。?

缺點(diǎn)：早先對焦慢，現(xiàn)代數(shù)碼無反相機(jī)（微單）對焦速度可達(dá)0.06秒以內(nèi)（sony a6000）！

雙鏡頭反光照相機(jī)（ “雙反” Twin-Lens Reflex-TLR）

特點(diǎn)：兩個(gè)鏡頭，上面的鏡頭通過固定的反光鏡負(fù)責(zé)取景聚焦，與下面鏡頭聯(lián)動(dòng)；下面的鏡頭負(fù)責(zé)將影像傳送到膠片上。?

缺點(diǎn)：體積較大，操作不便，更換鏡頭時(shí) 需要兩個(gè)一起更換。

單鏡頭反光照相機(jī)

特點(diǎn)：（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(diǎn)：（1）活動(dòng)式反光板使相機(jī)體積增大；（2）反光板開啟的振動(dòng)、機(jī)械切換時(shí)間等 影響相機(jī)的性能。

單反到無反的輪回

照相機(jī)的幅面與視角

照相機(jī)鏡頭的焦距與視場角

照相機(jī)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(yīng)）

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(diǎn)離傳感器比較近的情況。

這會(huì)讓被攝體的成像較小，反之則會(huì)較大。因此， 短焦距會(huì)產(chǎn)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(chǎn)生較窄的視場，這類鏡頭被稱作“長焦”鏡頭。

照相機(jī)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(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距以相機(jī)成像面的畫 幅對角線長度為準(zhǔn)，當(dāng)鏡頭焦距接近某 類相機(jī)成像面的畫幅對角線長度時(shí)被稱 為該類相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)焦距鏡頭，簡稱標(biāo)準(zhǔn) 鏡頭或標(biāo)頭。? 標(biāo)準(zhǔn)焦距鏡頭的視角約50° ，焦距 通常為45-55mm，畫面透視關(guān)系類似 于人眼所感覺到的透視關(guān)系，拍攝效果 比較平實(shí)。是最基本的攝影鏡頭。 照相機(jī)的快門—光闌 光闌的定義：對光具組成像時(shí)的光束孔徑、成像點(diǎn)偏離光軸的范圍加以限制的透 鏡邊框、框架或特別設(shè)置的帶孔屏障。 光闌是球面光具組近似成像的必然要求?？讖焦怅@(aperture diaphragm)：決定軸上物點(diǎn)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?？讖焦怅@是軸上物點(diǎn)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(diǎn)而言的，不同的共軛點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn) 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(dāng)物點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離光軸時(shí)，參與成像的光線逐漸減少，導(dǎo)致圖像逐漸昏暗， 稱作漸暈。當(dāng)入射窗就在物平面上時(shí)，漸暈將不出現(xiàn)。

照相機(jī)的光圈

照相機(jī)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(guān)系

影響景深的因素總結(jié)

鏡頭參數(shù)

像差

像差—球面像差

軸上物點(diǎn)發(fā)出的大孔徑光線不聚焦于一點(diǎn)。

像差—彗形像差

軸外物點(diǎn)發(fā)出的寬光束不再交于一點(diǎn)，形成狀如彗星的亮斑，稱為彗差。

像差—像散

軸外物點(diǎn)發(fā)出的寬光束，水平方向和豎直方向的光線的匯聚點(diǎn)在不同平面上，并且兩處的匯聚點(diǎn)演化為兩條相互垂直的線， 稱為像散。

明晰圈是放置底片的 最佳位置。

像差—像場彎曲

像差—畸變

對于物平面上所有的點(diǎn)，橫向放大率隨離光軸的距離變化，使像平面上的圖形與原物不成比例。與球差、彗差和像散不同， 畸變不破壞光束的同心性，從而不影響像的清晰度。

像差—色差 折射率隨顏色(波長)而變，致使白光成像時(shí)，不同顏色的光所成的像位置和大小都不同，稱為色差。分為軸向（位置）色差、 橫向（放大率）色差。

放大鏡和目鏡

放大鏡是一種目鏡，作用是成一放大的虛像，便于眼睛觀察。

特點(diǎn)：物在物方焦面內(nèi)側(cè)，像距約為明視距離。

目鏡用在光學(xué)儀器上，作用與放大鏡相似，都是在明視距離附近成一個(gè)眼睛可直接觀察的虛像。?通常都與物鏡結(jié)合使用，觀察物鏡所成的實(shí)像。目鏡設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一是消除視覺色差。

顯微鏡

具有高放大倍數(shù)的光學(xué)儀器，由物鏡組和目鏡組構(gòu)成。

顯微鏡的光路與原理

顯微目鏡的參數(shù)及標(biāo)識 目鏡類別：惠更斯目鏡（H）、冉斯登目鏡（R）， 凱爾納目鏡(K)，等 放大倍數(shù)，5×，10×，……? 目視場直徑（mm）Φ20，……? 10×/18，表示放大倍率10倍，視場18mm 顯微物鏡的參數(shù)及標(biāo)識

顯微物鏡的色環(huán)和數(shù)值孔徑

望遠(yuǎn)鏡 用于觀察遠(yuǎn)處物體，將物體對眼睛的張角擴(kuò)大，相當(dāng)于在近處成一縮小的實(shí)像，再通過目鏡觀察。 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖

Kepler望遠(yuǎn)鏡

Galileo望遠(yuǎn)鏡

Newton反射式望遠(yuǎn)鏡

雙筒望遠(yuǎn)鏡

眼睛

視覺系統(tǒng)

視覺對色彩的響應(yīng)

人類視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)

以上就是為大家?guī)淼年P(guān)于各種光學(xué)儀器成像原理內(nèi)容！

編輯：黃飛

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