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，我们必须了解一些光学仪器的成像原理。今天，光电信息整理了各种光学仪器的成像原理ZEMAX不要错过学习视频！

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。

实物和虚像，实物与虚像

1.物体和图像由一系列点组成，物体点和图像点一一对应。

2.实物和实像的意义在于光实际上来自或通过这一点，而虚拟和虚拟图像只是由光的直线传播性质引起的错觉。事实上，没有光通过这一点。

3.物与像相对，虚实之间也可以转换。

等光程表面和严格成像

理想成像的基本要求是满足同心光束的不变性，从整个物体与图像的对应关系来看，也必须满足图像之间的相似性。

空间中每个点之间的相互位置应逐一对应，每个对象点的颜色应逐一对应。

要求成像的光学系统不产生畸变，没有像差、色差等。

严格成像是理想光具组的必要条件。

投影仪

投影仪的结构

投影仪的关键参数

亮度:一般家用 2000-3000 ANSI 流明(详细介绍辐射光学)

标准分辨率(真实分辨率或物理分辨率)

对比度:明暗区最亮的白色和最暗的黑色 测量不同亮度等级(人眼一般接近2000:1)

投影比：投影距离D / 画面宽度W。(相同距离越小，投影的画面越大) 计算投影与幕布大小、距离的最佳关系。

投射比一般为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。投影屏幕通常用对角线的英寸标记，需要根据长宽比进行转换。

关于投影的幕布选择

玻珠幕， 光学晶体玻璃球的涂层被添加到表面。其特点是画面具有鲜明的焦点感和活力，增益高，视角小。最大的特点是光回归 射光方向返回，这也是增益高的原因，对光有一定的收集效果。

白色塑料幕，直接采用粗白纹面料，不进行表面处理。特点是投影仪的性能，原本的性能， 不加修饰，增益低、视角很大、颜色自然。

照相机

箱式相机的最简单结构

特点：无反光镜，直接取景对焦。

缺点: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，上镜头通过固定反射镜进行聚焦，并与下镜头联动；下镜头负责将图像传输到胶片上。

缺点：体积大，操作不便，更换镜头时 两个需要一起更换。

单镜头反光照相机

特点:(1)五棱镜，(2)反光板。 完美解决了所见即所得的问题。

缺点:(1)活动反射板增加相机体积；(2)反射板的振动、机械开关时间等。 影响相机的性能。

单反到无反轮回

相机的横幅和视角

相机镜头的焦距和视角

相机镜头的焦距和图像的大小

焦距越长，图像越大(固定尺寸底片上可收集的图像比例越小， 对应于视角的缩小)

镜头的焦距决定了视场，即镜头说，镜头可以拍摄多么宽的照片。如果光线交叉 靠近传感器的点。

这会使被摄体的成像变小，反之亦然。 短焦距会产生较宽的视场——这就是为什么短焦距镜头被称为广角镜头。

反之亦然：长焦距产生较窄的视场，称为长焦镜头。

相机镜头的焦距和纵向间隔

短焦距，纵向间隔大 ，纵向间隔小的长焦距。

镜头的视场和像场

标准镜头的焦距用相机成像面绘制 以振幅对角线的长度为准，当镜头焦距接近某个时 当类相机成像面的画幅对角线长度被称为 这种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为50° ，焦距 通常为45-55mm，图片透视关系相似 透视关系在人眼感受到，拍摄效果 比较平实。是最基本的摄影镜头。

相机快门-光阑

光阑的定义:限制光束孔径和成像点偏离光轴的范围 镜框、框架或特殊设置的带孔屏障。

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。

受孔径光阑限制的物体和方形成像光束的张角分别称为入口 射孔径角和出射孔径角。孔径光阑是轴上物点附近轴条件的要求。

入射光瞳(pupil)和出射光瞳：物方和像方的孔径光阑共轭。

对于特定的共轭物和像点，孔径光阑和光瞳可以有不同的孔径光阑和光瞳。

主光：物体，如共轭光束，以及通过入射光瞳和出射光瞳中心光共轭的光。

视场光阑(field diaphragm)：决定轴外物体点的主光是否可以通过光具组的光阑。通过光具组的主光和光轴的夹角称为入射视角和出射视角。视场光阑是轴外物体点 接近轴条件的要求。

入射窗(window)和出射窗：视场光阑在物方像方共轭。

渐渐晕：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， 称为渐晕。入射窗在物平面上时，渐晕不会出现。

相机的光圈

相机的景深和焦深

景深的作用:前景和背景被模糊

影响景深的因素

景深与光圈的关系

总结影响景深的因素

镜头参数

像差

像差-球面像差

轴上物点发出的大孔径光不聚焦一点。

像差-彗形像差

轴外物点发出的宽光束不再交一点，形成彗星般的亮点，称为彗差。

像差—像散

轴外物点发出的宽光束，水平方向和垂直方向的光的聚集点在不同的平面上，两个聚集点演变成两条垂直线， 称为像散。

底片放置在清晰的圆圈中 最佳位置。

像差-像场弯曲

像差—畸变

对于平面上的所有点，横向放大率随光轴的距离而变化，使平面上的图形与原始物体不成比例。不同于球差、彗差和像散， 变形不会破坏光束的同心性，从而不影响图像的清晰度。

像差—色差

折射率随颜色（波长）而变化，导致不同颜色的光的位置和大小不同，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，作用是成为一个放大的虚拟图像，方便眼睛观察。

特点:物体在物方焦面内侧，像距离约为明视距。>

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~