各種光學(xué)儀器成像原理解析

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(wèn)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(duì)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(guò)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(jué)，實(shí)際上并沒(méi)有光線經(jīng)過(guò)該點(diǎn)。? 3，物和像具有相對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)，同時(shí)每一對(duì)物像點(diǎn)的顏色要一一對(duì)應(yīng)。要求成像的光學(xué)系統(tǒng)不產(chǎn)生畸變，沒(méi)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(duì)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(jí)的測(cè)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(shuō)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(duì)角線的英寸數(shù)來(lái)標(biāo)識(shí)，需要根據(jù)長(zhǎng)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(duì)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(lái)，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(jiǎn)結(jié)構(gòu)—箱式照相機(jī)

特點(diǎn)：無(wú)反光鏡，直接取景對(duì)焦。?

缺點(diǎn)：早先對(duì)焦慢，現(xiàn)代數(shù)碼無(wú)反相機(jī)（微單）對(duì)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(guò)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(wèn)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(wú)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(chǎng)角

照相機(jī)鏡頭的焦距與像的大小 焦距越長(zhǎng)，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(chǎng)角的縮小相對(duì)應(yīng)）

鏡頭的焦距決定了視場(chǎng)，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(chǎng)——這就是短焦距鏡頭被稱作“廣角”鏡頭的原因。?

反之也成立：長(zhǎng)焦距產(chǎn)生較窄的視場(chǎng)，這類鏡頭被稱作“長(zhǎng)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(zhǎng)焦距，縱向間隔小。

鏡頭的視場(chǎng)與像場(chǎng)

標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距以相機(jī)成像面的畫幅對(duì)角線長(zhǎng)度為準(zhǔn)，當(dāng)鏡頭焦距接近某類相機(jī)成像面的畫幅對(duì)角線長(zhǎng)度時(shí)被稱為該類相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)焦距鏡頭，簡(jiǎn)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(jué)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(duì)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(guò)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(duì)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(guò)入射光瞳和出射光瞳中心光線共軛的光線。?

視場(chǎng)光闌(field diaphragm)：決定軸外物點(diǎn)的主光線能否通過(guò)光具組的光闌。恰好能通過(guò)光具組主光線與光軸在物方和像方的夾角叫做入射視場(chǎng)角和出射視場(chǎng)角。視場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)彎曲

像差—畸變

對(duì)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(zhǎng))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(jué)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(shí) 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(chǎng)直徑（mm）Φ20，……? 10×/18，表示放大倍率10倍，視場(chǎng)18mm 顯微物鏡的參數(shù)及標(biāo)識(shí)