常用光电图像转换系统的成像特性
光电信息科学中的光学成像技术研究进展
光电信息科学中的光学成像技术研究进展光学成像技术是光电信息科学领域中的重要研究方向之一，其在医学、通信、遥感等领域具有广泛的应用。
近年来，随着光学技术的不断发展和科学研究的深入，光学成像技术也取得了很大的进展。
本文将重点介绍光电信息科学中的光学成像技术的最新研究进展。
一、光学成像技术的基本原理光学成像技术是通过利用光的波动性和粒子性来实现对物体的观测和图像的获取。
其基本原理主要包括光的传播和干涉衍射等。
在光学成像技术中，常用的成像方式有传统的透射式光学成像和反射式光学成像两种。
透射式光学成像是通过物体对光的透射来获取图像，其原理是利用物体对光的吸收、散射和透射等特性来对物体进行成像。
透射式光学成像技术广泛应用于医学领域，如X光成像、CT扫描等。
反射式光学成像则是通过物体对光的反射来实现图像的获取。
反射式光学成像技术主要包括反射式成像和反射折射成像两种方式。
其中，反射式成像是利用物体对光的反射来实现图像的获取，如一般的摄影成像；而反射折射成像则是利用物体对光的反射和折射作用来实现图像的获取，如折射式望远镜等。
二、光学成像技术的研究进展随着光学成像技术的不断发展，各种新的光学成像技术被提出并应用于不同的领域。
以下将从医学、通信和遥感三个方面介绍光学成像技术的研究进展。
在医学领域，光学成像技术在诊断和治疗方面发挥着重要作用。
例如，光学断层扫描成像技术（OCT）是一种通过测量光的反射来实现对组织结构进行成像的技术，通过OCT技术可以实现对组织的高分辨率成像，从而对眼科疾病的早期诊断和治疗起到了关键作用。
在通信领域，光学成像技术广泛应用于光纤通信系统。
例如，分布式光纤传感技术通过利用光纤对外界环境的很小扰动进行检测，可以实现对温度、压力、振动等参数的高精度测量。
此外，光纤通信系统中的光纤激光器和光波导等光学元件的研究也为光学通信系统的高速传输提供了重要的支撑。
在遥感领域，光学成像技术被广泛应用于地球观测和遥感图像获取。
光电成像
光电成像器件的特性
光电转换特性 转换系数（增益）G：评价直视型光电成像器件的输入量与
输出量的依存关系的重要参数－－光电成像器件在法线 方向输出的亮度L与输入的辐照度E的比值。
G＝
L E
，Gl
L El
，G＝
L E
G
表示L 单色光的增益 E
光电成像器件的特性
光电转换特性 光电灵敏度（响应率）：评价电视型光电成像器件的输入量
光电成像技术的应用
红外热成像：光线是大家熟悉的。光线是什么？光线就是可见 光，是人眼能够感受的电磁波。可见光的波长为：0.38—0.78 微米。比0.38微米短的电磁波和比0.78微米长的电磁波，人眼 都无法感受。比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外， 称为紫外线，比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外， 称为红外线。红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78~1000 微米的电磁波。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外， 波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。
光电成像技术的应用
目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到 的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像，换一句话说， 红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人 眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。
我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时，才能 够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度（273℃）以上的物体，都会不停地发出热红外线。例如，我们可 以计算出，一个正常的人所发出的热红外线能量，大约为100瓦。 所以，热红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐 射。热辐射除存在的普遍性之外，还有另外两个重要的特性。
第七章 CCD应用中的光学系统 - 副本资料
w/
2
D/
F1/(F2) 分划板 -f
l2/ 眼睛 目镜
A/// y/// B///
图8-37 望远系统成像原理
36
两面凸透镜
物镜：成倒立缩小的实像
目镜：成正立放大的虚像
望远镜原理
37
望远系统的视角放大率是物体经过望远系统所成的像对 人眼张角的正切值tgω/，与人眼直接观察物体时物体对人眼张 角的正切值tgω之比。其计算公式为 Г= tgω// tgω=-f/物/f/目 式中， f/物为望远物镜的焦距；f/目为目镜的焦距。 由此式可见，只有物镜的焦距大于目镜的焦距时，望远 系统才有视角放大作用。而且当目镜的焦距一定时，要求有
δ=0.5λ/(NA) 由以上公式可以看出，物镜在像差校正好以后，对一定波长的
光线，分辨率完全由物镜的数值孔径所决定。数值孔径越大，分辨
率越高。所以提高分辨率的主要途径是增大数值孔径。
31
当物方介质折射率为空气时，物镜最大的数值孔径为1，一 般只有0.9左右。而在物体和物镜之间浸以高折射率的液体，如
折射棱镜1273光学系统中光阑的作用一孔径光阑入射光瞳和出射光瞳二视场光阑三渐晕光阑四消杂光光阑1374常用光电图像转换系统的成像特性以ccd器件作为接收器的光学系统主要是由成像物镜和ccd器件组成的物体经物镜成像在ccd器件上因此成像物镜的光学特性决定了系统的使用性能
第七章 CCD应用中的光学系统
成下列形式
2 E0 ( )2 4 f ( ) 2
KL D
20
由上式可见，像面照度与相对孔径的平方成正比，相
对孔径越大，像面照度也越大。 轴外像点的照度与视场角有关，它与视场中心的 像面照度有以下关系 E E0 cos4 w 常见照相物镜的相对孔径为1∶4.5-1 ∶2。 在摄影物镜的外镜筒上，刻有与相对孔径对应的 数字和指标。数字为相对孔径的倒数，俗称为F数或 光圈数。
光电成像技术Chapter直视型光电成像系统与特性分析
E
14LO
D2
f
'
**
10
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§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性
b. 小的渐晕 斜光束照射时，渐晕导致像面〔光阴极〕边缘相对
于中心的照度会下降，光阴极上照度的不均匀将造成荧 光屏上图像亮度不均匀，边缘的像质变坏，尤其是低信 噪比的夜视微光系统。
c. 宽光谱范围的色差校正 不同种类的成像系统在不同的光谱范围进行校正色
➢有一定的照射范围，照明系统发出光束的散射角应与成
像系统的视场角根本一致，以保证系统观察目标所要求
的照明的同时，尽可能减少自身的暴露；
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§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性
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§6.1 直视型光电成像系统的原理
一、直视型主动红外成像系统
直视型主动红外成像系统的主要部件：
红外照明光源、物镜、红外变像管/具有近红外 延伸的像增强器、目镜。发射→大气传输→反射→ 大气传输→接收→光电转换→图像增强→可见光图 像显示
直视型主动红外成像系统的主要应用：
公安、工业监测、医学、科学研究；另外，像管 的选通技术的开展促进了其在军事领域的重要应用， 比方巡航导弹的导航等。
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§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性
(2) 成像物镜的根本类型 成像物镜有三类：折射系统、反射系统和折反射系统. a. 折射系统
折射物镜较易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调 方便。双高斯物镜、匹兹伐物镜，以及它们的改进型。
双高斯物镜：利用厚透镜校正像面弯 曲。应用于较大视场(40~50o)的场合
采用非球面光学和衍射光学元件(衍射光学与微电子 技术相互渗透，基于计算机辅助设计和微米级加工技术 制成的平面浮雕型光学器件)提高系统的成像性2能021/和11/减11 小 镜片数量与体积。微型化、1集4 成化
光学工程中的光学成像系统设计
光学工程中的光学成像系统设计在光学工程领域中，光学成像系统的设计起着至关重要的作用。
光学成像系统是指利用光学原理将被观察物体的信息转换成可观测图像的装置。
它广泛应用于摄影、无人机航拍、医学成像等领域。
光学成像系统的设计涉及到光学元件的选择、系统布局和图像质量优化等多个方面。
在本文中，我们将介绍光学成像系统设计的一般步骤和关键要素。
首先，光学成像系统设计的第一步是明确成像需求和系统约束。
在进行光学成像系统的设计之前，我们需要明确需要成像的物体特性、成像距离、图像清晰度要求等参数。
同时，还需要考虑到系统限制，比如可用的光学元件、成本预算和系统尺寸等因素。
明确这些需求和约束可以为后续的设计提供指导和约束。
其次，光学成像系统设计的关键环节之一是光学元件的选择。
光学元件是构成光学成像系统的重要组成部分，其选择将影响系统的成像质量和性能。
常用的光学元件包括透镜、反射镜、光栅等。
根据成像需求，我们需要选择适当的光学元件，并进行性能评估。
比如，透镜的选择应考虑到焦距、孔径大小和色差等因素，而反射镜的选择则需要考虑到反射率和光学形状等。
在光学元件的选择之后，第三步是光学系统的布局设计。
布局设计是指确定各个光学元件的位置和相对关系。
布局设计的目标是使得光线能够传输在系统中并聚焦于成像平面上，同时尽量减小系统的光学畸变和像散。
光学系统的布局设计需要考虑到物体和成像平面之间的距离、光学元件之间的距离和相对角度等。
一般地，光学元件之间的距离越大，系统的畸变和像散越小。
第四步是通过系统优化来改善图像质量。
在光学成像系统设计过程中，常常需要进行图像质量评估和系统优化。
图像质量评估可以通过模拟仿真和实验测量等方式进行。
根据评估结果，我们可以对系统参数进行调整，如透镜孔径、焦距、位置等，以达到优化图像质量的目的。
在优化过程中，需要注意光学元件的色散补偿和像差校正，以提升图像的清晰度和准确性。
最后一步是进行光学成像系统的组装和测试。
光电成像原理
球差
球差可以定义为焦距随孔径的偏移。在透镜中远轴光线要比近 轴光线折射得更厉害。
彗差
当透镜对一个轴外物点成像时，若在近轴像面上得到的不是一个 像点，而是彗星形的光斑，则称该透镜对给定物点成像有彗差。
像散
轴外物点成像时还出现另一种像差，这时通过透镜倾斜入射的光 束不能产生一个像点，而出现两条相隔一定距离并相互垂直的像 线。这种像差就称为斜光束的像散。形成竖直线的平面称为子午 平面，形成水平线的平面称为弧失平面
• 衍射分辨率
3.83 f / 1.22
D
D/ f /
• 像面中心处的辐照度
E/
KL sin 2
U/
n/2
n2
四、光学系统的像差
• 光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学 系统近轴区的成像被认为是理想像
• 实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异 即为像差 。
• 单色像差：球差、彗差、像散、场曲、畸变 • 色差：轴向色差、倍率色差
• 视场光阑
安置在物平面或者像平面上限制成像范围的光阑， 称为视场光阑，它是决定物平面上或物空间中成像范 围的光阑，即是限制视场范围大小的光阑。
• 渐晕光阑
在光线系统中，除孔径光阑在物空间所成的像外，还 会有其他不少光阑在物空间成像，这样就会使本来可以通 过入瞳的轴外物点的光束被遮掉一部分，使轴外点的成像 光束小于轴上点的成像光束，从而使像面边缘的辐照度有 所下降。这种由轴外点发出充满入瞳的光束中部分光线被 其他光阑所遮拦的现象，称为轴外点光束的渐晕。
d
Tf
n
WH WV
•
F
§3 红外成像光学系统
普通的风景照，颜色跟我们肉眼所见没什么区别
红外摄影图片，在红外摄影图片中红外线才是其可见光。其中
成像的原理
成像的原理成像原理是指通过光学系统将物体的形象传递到感光介质上，从而得到清晰和真实的图像的过程。
成像技术在摄影、电影、望远镜、显微镜等领域都有广泛的应用。
光线的传播是成像的基础，它遵循光的弯折、反射、散射、吸收等规律。
在相机和眼睛等成像设备中，通过透镜的折射、反射等过程将光线聚焦到感光介质上，形成逆向的、与实际物体相似的图像。
光线一旦通过物体上的一个点，就可以看成是从该点上的各个方向上照射出去的，只有光线通过透镜后，才能成为可直接观察的图像。
因此，光线的传播路径和聚焦过程是成像的关键。
首先，我们来看透镜的作用。
透镜是由两个球面构成的，其中至少一个球面是曲面的，也可以是平面。
透镜的中心厚度和曲率半径决定了透镜的成像特性。
透镜的主轴是透镜的竖直中心线，与透镜的中心面垂直。
透镜的两个面分别为凸透镜面和凹透镜面。
光线从空气等折射率较小的介质进入透镜时，会根据折射定律发生折射，折射定律可以描述光线在两个介质之间的传播规律。
折射定律定义了入射角和折射角之间的关系，即n₁sinθ₁ =n₂sinθ₂，其中n₁和n₂分别是两个介质的折射率，θ₁和θ₂为入射角和折射角。
透镜的厚度选择和曲率半径的选取决定了光线通过透镜的路径。
例如，在凸透镜中心区域光线的折射率会随着光线的斜入射角增大而变小，因此光线将会向中心线方向弯曲。
而在凸透镜边缘区域，光线的斜入射角相对较小，折射率会相应增大，导致光线向中心线方向偏离。
经过透镜折射后的光线会在对焦平面上汇聚成图像。
对焦平面是透镜的焦点所在的平面，透镜的焦距决定了对焦平面的位置。
当物体距离透镜焦点的距离等于透镜焦点与对焦平面之间的距离时，成像会在对焦平面上得到清晰的图像。
但是，在实际应用中，我们会发现透镜在成像过程中会产生一些畸变，影响成像的清晰度和准确性。
其中主要有球面畸变、彗差畸变、散光畸变等。
球面畸变是由于透镜的球面形状所致，使得透镜中心和边缘的光线汇聚到不同的焦点上，导致图像的中心线和边缘出现形变。
光电成像技术第六章直视型光电成像系统与
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
光电成像原理与技术
光电成像原理与技术
光电成像是一种利用光电效应原理进行图像获取与处理的技术。
光电效应是指当光照射到某些物质表面时，即使电子从原子中被激发出来，从而产生电荷。
根据光电效应的不同光谱响应，光电成像可以分为可见光成像、红外成像和紫外成像等。
可见光成像是最常见的一种光电成像技术。
它利用可见光在物体表面反射、折射或透射的特性，通过摄像机将光信号转化为电信号，最终得到可见光图像。
在可见光成像技术中，光源的选择、镜头的设计和图像传感器的性能至关重要。
常见的可见光成像设备包括普通照相机、摄像机以及显微镜等。
红外成像是一种利用物体发射、反射或透射红外辐射进行成像的技术。
根据物体表面的热辐射，红外成像可以获得不同温度分布的图像。
红外成像可以分为热成像和非热成像两种。
热成像通过测量物体表面的红外辐射温度，得到物体的表面温度分布图像。
非热成像则是通过测量物体在红外波段的透射、反射或散射特性，得到图像。
红外成像广泛应用于军事、医疗、建筑、环境监测等领域。
紫外成像是通过检测物体在紫外波段的发射、反射或透射特性进行成像的技术。
紫外光具有较短的波长和较高的能量，可以透过物体表面的可见光波长的杂质、沉积物等，获得更清晰的图像。
紫外成像技术在生物医学、环境监测、食品安全等领域有广泛应用。
总的来说，光电成像原理与技术是利用光电效应进行图像获取
与处理的一种技术方法。
通过选择不同的成像波段和检测方法，可以实现可见光、红外和紫外等多种光谱范围内的成像。
这些成像技术在卫星遥感、医学影像、工业检测等领域有着广泛的应用。
第一章 智能光电系统基础
1.常用图像传输系统的成像特性
1.照相摄影物镜 (1)焦距f：决定于目标在接收器上成像的大小。 对同一位置的目标而言，焦距越大，所得到的 像也越大。焦距可从几毫米到几米不等。 (2)相对孔径D/f：其大小决定了物镜的分辨率、 像面照度，并影响成像质量。相对孔径越大， 物镜的分辨率越高，像面照度越大。1/4.5~1/2 (3)视场角2ω ：决定了能在接收器上成像的空间 范围。当f一定时，视场角越大，成像的尺寸也 越大。对一定尺寸的CCD器件，其像敏面尺寸 一定，f越长， 2ω 就越小。
光学仪器已经不简单是光学和机械的简单结 合，也不单纯是那种典型的光学、机械、电子 相结合的产品，而是综合各类科学技术的科学 仪器。 光学仪器从一般的目视观察、照相、摄影读 数、数字显示向着数据处理、自动检测和图像 自动识别等方向发展。
计算机的应用，可有以下几个方面目的： 1.进行大量的数据采集和处理，减轻劳动强度， 增强实时性 2.提高光学仪器的自动化程度 3.解决一般光学仪器解决不了的问题，提高扩 展仪器的功能 4.对影响仪器精度的某些误差进行自动修正， 提高仪器精度 5.利用计算机进行高速运算和存储功能，提高 仪器的分析、测量速度 6.对图像数据进行自动处理和识别
光谱不连续，而且光谱与气体或金属蒸气的 种类和放电条件有关。气体放电灯发出的热 量少，对光电探测器件的温度影响小。 低压汞灯、氢灯、钠灯、氙灯、氦灯
3. 激光器
激光器是主动光电系统中具有重要地位的光 源。亮度高、方向性好、相干性好。
半导体激光器：体积小、效率高，能直接利 用电源对输出激光进行调制。
续
3.光电探测器 将光能转变为电能。 4.电子系统及其他 将微弱信号放大、调制、整形、鉴频或 鉴相处理，获得有用信号以进行记录、 显示或进一步处理
夜视仪的工作原理
夜视仪的工作原理夜视仪是一种可帮助人类在低光条件下看到物体的仪器。
在不同应用领域，比如军事、科学研究、救援及监控等方面都有广泛应用。
夜视仪的工作原理是依靠光电转换技术和人眼的生理特性实现的。
本文将对夜视仪的工作原理进行详细介绍。
1. 光电转换技术夜视仪的核心是光电转换技术，该技术是将自然环境中的微弱光源转换为人类可见的图像。
光电转换技术有两种，分别是光增强和热成像。
光增强：光增强型夜视仪是最常见的类型。
它的原理是依靠一种称为"光电倍增管"的装置将光子电信号转换为电子信号。
该管内部有数个金属电极和荧光屏，荧光屏表面涂有磷化物，当光子击中荧光屏时，会在荧光屏上产生光电子，光电子会在电场的带动下不断加速撞击到磷化层，导致磷化层内部的电子级不断上升，直至发射光子。
这些光子被反射到荧光屏上，进而形成一个高质量的图像。
热成像：与光增强技术相比，热成像技术是在高清图像上更有保障。
该技术是利用红外线发射器将物体发出的红外线辐射转换为图像。
与光增强不同，热成像没有低光条件限制，因为它可以侦测到物体发出的热量，即使在白天或强光下也可以使用。
2. 人眼的生理特性人眼的生理特性是夜视仪的另一个重要因素。
人眼适应低光条件的方式是瞳孔扩大，以便更多光线进入眼睛。
但是过度扩大瞳孔却会减少视野，这正是夜视仪的目的之一。
此外，人眼的特性还包括眼罩，通过遮住眼睛周围杂乱无序的光线，提供一个相对干净的视野。
有些夜视仪还可能包括其他功能，比如红外光辅助系统，可以通过反射器将光线引导到夜视仪中，提高图像质量。
3. 夜视仪的分类夜视仪可以分为以下几类：（1）镜像型夜视仪：该夜视仪可增强目标被反射光的强度，通过夜视器和红外光源配合使用，使观察到的景象更为清晰及明亮。
（2）红外成像夜视仪：该夜视仪可根据物体的红外光辐射来成像，使用范围更广，而且可以穿透一些特定物体，如树木、云层等。
（3）主动系统夜视仪：该夜视仪可红外光辐照物体面，同时探测反射回来的微弱光信号并增强。
光学与光电系统成像性能评测
图 3-6 线性空间不变性光学系统
3、线性空间低通滤波器与频域滤波成像 ——频域的光学传递函数
对于线性空间不变的成像系统，像面上的分布是 考虑了物象放大比例关系后的物面上辐照度分布与点 像辐照度分布的卷积。对于成像系统的整个像面,总可 分为若干等晕区,在各个等晕区内,有各自的点像辐照 度分布,其像面上的点像辐照度分布与物面上辐照度分 布是一个空域卷积成像的关系。由于卷积计算比较麻 烦，如果把它用傅里叶积分算子变换到频谱域内，式 (3-5)则变为如下简单的乘积关系：
§3.1 光电系统成像性能评测基本理论 §3.2 分辨率测量 §3.3 光学传递函数测量 §3.4 畸变测量
光学（或光电）成像系统的成像性能，即成像质 量问题，是光学测量所关注并要研究和解决的重要问 题。在成像用的光学（或光电）系统的设计、制造和 使用中，十分关注该系统的成像性能，如何有效地检 测出系统的成像质量，则是评价一个成像光学系统性 能优劣的前提。随着成像系统朝着红外和紫外波段延 伸，多种新型光电成像器件的涌现，对成像系统的评 测从纯光学系统向复杂光电系统方向发展，也对光学 （或光电）系统成像问题提出了新的课题。
gout ( x ', y ') gin( x, y)F( x, y, x ', y ')dxdy (3-3)
对于非相干成像光学系统，一般认为满足辐照度
的线性叠加条件。
图 3-5 光学系统成像
(2) 空间平移不变性 空间平移不变性是指:当一个物点在光学系统的物
平面上移动时，其像平面上只会发生所对应像点按一 定比例的平移，而像点在平移过程中的辐照度分布则 没有发生变化。对于实际光学系统来说，不同物面位 置或不同视场位置的物点，在像平面上的辐照度分布 总会有所差别。但对经过良好消像差处理的光学系统， 通常能将其分割为几个视场区域，在每个视场区域内， 分别近似满足空间平移不变性条件，称满足空间平移 不变性条件的视场区域为该光学系统的等晕区。
摄像机成像原理
摄像机成像原理摄像机是一种常用的影像捕捉设备，其主要原理是根据光学现象将物体投射到成像面上，通过电子元件将光信号转换成电信号，从而实现图像的采集和传输。
本文将介绍摄像机的成像原理，包括光学成像和电子成像两个方面。
一、光学成像原理1. 光的传播和折射光是一种电磁波，其传播速度是固定的。
当光传播到两种介质的交界处时，会发生折射现象，即光线的传播方向发生改变。
这是由于光在不同介质中的传播速度不同所导致的。
2. 透镜的作用透镜是摄像机中的重要光学元件，其作用类似于人眼的晶状体。
透镜可以将平行光线聚焦到一点上，形成清晰的像。
透镜的焦距决定了成像的位置，焦距越短，成像越近。
3. 光圈和景深光圈是调节进入透镜的光线量的光学装置。
通过调节光圈的大小，可以控制入射光的强弱，影响图像的明暗程度。
景深是指图像中被视为清晰的范围，大光圈会导致景深变浅，背景模糊，而小光圈则会增加景深，使整个画面清晰可见。
二、电子成像原理1. 图像传感器在摄像机中，图像传感器扮演着关键的角色，它负责将光信号转换成电信号。
目前常用的图像传感器有CMOS和CCD两种类型。
CMOS传感器由像素阵列组成，每个像素通过光电效应将光信号转化为电荷，并经过放大和数字化处理后输出。
2. 像素和分辨率像素是图像的最小单位，它决定了摄像机能够捕捉到的细节。
分辨率则表示摄像机能够显示的图像清晰度，通常以水平像素和垂直像素的数量表示，比如1080p表示水平像素为1920，垂直像素为1080。
3. 信号处理摄像机还包含一系列信号处理电路，用于对采集到的图像信号进行滤波、增益控制、颜色校正等处理，以提高图像质量和还原度。
结语通过光学成像和电子成像的配合，摄像机能够实现对真实世界的准确捕捉和再现。
光学成像利用光线的传播和透镜的特性实现画面的聚焦和成像，而电子成像则将光信号转换成电信号，经过处理后得到最终的图像。
摄像机成像原理的理解对于摄影爱好者和从事相关行业的人士来说都是非常重要的。
光电子学中的光谱仪和成像技术
光电子学中的光谱仪和成像技术光电子学是一门研究光的电磁波特性及其与物质相互作用的学科，近年来受到了广泛关注和发展。
光谱仪和成像技术是光电子学中的两个重要分支，它们可以帮助我们深入了解光的本质和光与物质的相互作用，为我们研究和应用光电子技术提供了重要的手段。
一、光谱仪光谱仪是一种用来分析光波谱的仪器，可以将光分解成其不同波长的成分进行研究和测量。
光谱仪广泛应用于光学、物理、化学、生物学等领域，在这些领域中，我们可以通过光谱仪来进行各种性质的分析和测试，例如物质的成分、结构、光学性质等等。
光谱仪的基本工作原理是将光线通过一个小孔或透镜聚集到光栅或小孔板上，然后通过一个检测器将不同波长的光线分离出来。
光谱仪可以分为吸收光谱仪和发射光谱仪两种类型。
在吸收光谱仪中，光通过被测物质时，会被物质吸收，形成一个独特的光谱，我们可以通过这个光谱来分析物质的成分和浓度。
而在发射光谱仪中，物质被激发后会发射出一种特定的光谱，我们可以通过检测这个光谱来分析物质的性质和特点。
二、成像技术成像技术是将物体的信息通过光学传感器捕捉并转换成数字信号，然后通过计算机图像处理的方式，呈现出一幅清晰的图像或视频。
成像技术广泛应用于医学、军事、工业、卫星导航等领域，在这些领域中，我们可以通过成像技术来实时监测和观察物体的运动、形态、表面特征等等。
现代成像技术包括了很多种类，例如光电器件成像、红外成像、热像仪等。
其中最常见的是光电器件成像技术，它是利用光电转换原理将光信号转换为电信号，然后再通过信号处理技术来实现图像的呈现。
现代的光电器件成像技术包括了CCD（Charge-coupled_device）、CMOS（Complementary_Metal_Oxide_Semiconductor）等技术，具有高灵敏度、低噪声、高分辨率等优点。
三、光谱仪和成像技术在现代社会中的应用光谱仪和成像技术在现代社会中的应用非常广泛，下面我们就来看一下它们在各个领域中的应用。
成像的特点与成像公式
色彩公式
色彩公式的定义：描述物体表面反射光或发射光的数学模型 色彩公式的应用：用于图像处理、颜色匹配、颜色校正等领域 常见色彩公式：RGB、CMYK、XYZ等 色彩公式的意义：帮助我们理解和控制图像的色彩表现
分辨率公式
分辨率公式：R=1/D
分辨率与物距的关系：物距越小， 分辨率越高
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对比度对成像质量的影响：高对比度能提高图像的清晰度和细节表现力
对比度调节方法：通过调整相机参数或后期处理软件来改变对比度
分辨率
分辨率越高，图像越清晰 分辨率取决于相机镜头的像素和传感器的大小 分辨率越高，图像的细节表现越丰富 分辨率越高，图像的色彩表现越真实
Part Two
成像公式
曝光公式
畸变：图像中物体形状的扭曲或变 形
色彩还原
色彩准确：能够真实地反映景 物的颜色
色彩丰富：能够表现丰富的颜 色层次和细节
色彩自然：能够使画面看起来 更加自然和真实
色彩还原对于成像质量至关重 要，是素之间的亮度差异
对比度影响因素：镜头质量、光线条件、物体表面反射特性等
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分辨率与成像质量的关系：分辨率 越高，成像质量越好
分辨率与像距的关系：像距越大， 分辨率越高
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成像的特点与成像公式
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目录
01 成 像 的 特 点
02 成 像 公 式
Part One
成像的特点
清晰度
分辨率：成像系统能够呈现的细节 数量
色彩保真度：图像颜色的准确性和 真实性
添加标题
光电成像系统
第5章光电成像系统成像转换过程有四个方面的问题需要研究：能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题成像特性——能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性信息传递速率方面（成像特性、噪声——信息传递问题，决定能被传递的信息量大小）景噪声景噪声声声光电成像器件是光电成像系统的核心。
§1 固体摄像器件固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。
固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID）一、电荷耦合摄像器件电荷耦合器件（CCD）特点）——以电荷作为信号CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程1.电荷耦合器件的基本原理（1）电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态（2）电荷转移以三相表面沟道CCD为例表面沟道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）——转移沟道在界面的CCD器件体内沟道（或埋沟道CCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）——用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件（3）电荷检测浮置扩散输出CCD输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度T。
光学成像系统
光学成像系统光学成像系统是一种使用光学元件来捕捉、传输、处理和显示图像的设备。
它的应用广泛，包括摄影、无人机、医学成像等领域。
本文将对光学成像系统的原理、组成部分及应用进行介绍。
一、原理光学成像系统的基本原理是利用光的传播和反射特性来形成图像。
光线从被观察的对象反射或透过后，通过透镜等光学元件聚焦成像，然后通过光敏传感器（如CCD或CMOS）转换为电信号，并进行信号处理和显示。
二、组成部分光学成像系统通常包括以下几个主要组成部分：1. 光源：提供光线，常用的光源包括白炽灯、激光器等。
2. 透镜系统：包括凸透镜和凹透镜，用于调节和聚焦光线，常见的透镜有凸透镜、凹透镜和放大镜等。
3. 光学滤波器：用于选择或分离特定波长的光线，如红外滤镜、偏振片等。
4. 光敏传感器：将光信号转换为电信号的元件，常见的有CCD和CMOS。
5. 信号处理器：对光电信号进行放大、滤波、编码等处理，常见的有FPGA、DSP等。
6. 显示器：将经过信号处理后的图像显示出来，包括液晶显示器、CRT显示器等。
三、应用光学成像系统在各个领域都有广泛的应用。
1. 摄影：相机是一种最常见的光学成像系统。
通过调节透镜、光圈和快门等参数，可以捕捉到清晰、逼真的图像。
2. 无人机：无人机上配备了光学成像系统，用于实时监控、航拍等应用。
光学成像系统可以拍摄高清晰度的照片和视频，帮助人们获取更多的信息。
3. 医学成像：医学成像设备如CT扫描、MRI等利用光学成像系统来观察人体内部的结构和病变。
通过透视和分析，医生可以做出准确的诊断和治疗。
4. 光学检测：光学成像系统可以用于物体的形状和质量检测。
例如，利用光学成像系统对工业产品进行表面缺陷检测，可以快速准确地判断产品是否合格。
总结：光学成像系统是一种利用光学元件来实现图像捕捉、传输、处理和显示的系统。
它由光源、透镜系统、光学滤波器、光敏传感器、信号处理器和显示器等组成。
光学成像系统在摄影、无人机、医学成像等领域有着广泛的应用。
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图8-32 临界照明光路图
如图8-33所示，把光源成像在物镜入瞳面上的照明方法，称 为柯勒照明。
图8-33 柯勒照明光路图
8.5.3 图像传感器应用系统中光源和照度的匹配 1、光源的选择 图像传感器应用系统大致可分为图像传感、图像分析和图像
检测三种类型。 不同类型的应用对照明光源的要求也不相同，应根据具体的
图8-30 显微镜的组成和工作原理
NA n sin U
（1）显微物镜的分辨率
分辨率指它能分辨开两点的最小距离δ
0.61
NA
被观察体本身不发光，需要其他照明光源时，对物体进行斜
入射照明时，最小分辨率为 （2）显微物镜的放大率
0.5
NA
为充分利用物镜的分辨率，使已被物镜分辨开的细节也能被
图像传感器分辨，则显微镜要有足够大的放大率。
之间应满足 （2）视场角
' f
望远系统的视场角用物体的边缘对入瞳中心的张角2ω表示
式中，f1’是物镜的焦距；2y’是图 像传感器光敏区尺寸的大小。
2y'
tan =
2 f1'
属于长焦距、中等孔径、小´视场的光学系统。
常用双胶合透镜作为望远物镜，其视场角一般不超过10°。
焦距与相对孔径的关系如表8-3所示。
表8-2 摄影物镜的主要性能参数
普通摄影物镜 大孔径摄影物镜 广角摄影物镜 远摄物镜 变焦距物镜
焦距f′
20~500mm
50mm
相对孔径D/f′
1:9~1:2.8
1:2
视场角2
64o
40 o ~60 o
物镜常用结构 天塞（Tessar） 双高斯（Gauss）
70.4mm 1:6.8 122 o
反远距型
8. 4 常用光电图像转换系统的成像特性
8.4.1 摄影系统及其物镜的光学成像特性
1、摄影系统的工作原理
如图8-28所示主要由摄影镜头、可变光阑和感光底片三部 分构成。
2、摄影物镜的光学成像特性
（1）物镜的焦距
图8-28 摄影系统结构简图
物镜的焦距决定了物体在接收器上成像的大小。
当物体位于无限远时，由图8-29可知，物镜的焦距f＇为
>3m <1:6 <30 o 远摄型
可变5x 1:24 40 o
8.4.2 显微系统及其物镜的光学成像特性
1、显微系统的工作原理
显微系统是用来观察近距离微小物体的光学系统。如图8-30 所示，它由物镜和目镜组成。
2、显微物镜的光学成像特性
显微物镜最重要的光学参
数是数值孔径和倍率。数值
孔径定义为显微物镜物方介 质的折射率n和物方孔径角正 弦之乘积，用符号NA来表示
式中，n1是物方介质折射率；y1为灯丝半高；u1为聚光镜孔径 角。
照明系统提供的光能量能够全部进入成像系统并被利用， 必须使照明系统的拉赫不变量J1大于或等于光学成像系统的拉 赫不变量J2，即：
J1 n1u1y1 J2 n2u2 y2
8.5.2 临界照明和柯勒照明 1、临界照明 光源经过聚光镜后直接成像于物平面上的照明方法称为临界
2、照度匹配
半导体集成图像传感器大部分为光积分型的器件（如电荷
耦合摄像器件），若以Io代表它的输出电流信号，Ev代表像面照 度，t为两次取样的间隔时间，则有 Io KEvt KQv
要发求光C特C性D接像近面于上余任弦意辐点射的体照的度物均体应经满光足学系E统v 成 像Q，tsat其轴
上像点照度Eo´和轴外像点照度E´分别为
焦距f’(mm)
表8-3 双胶合望远物镜焦距与相对孔径的关 系
50
100
150
200
300
500 1000
相对孔径D/f’
1:3 1:3.5 1:4
1:5
1:6
1:8
1:10
8.5 照明系统
8.5.1 照明系统设计的基本原则
照明系统提供的光能量是由它的拉赫不变量决定的。拉赫 不变量的表达式为：
J1 n1u1 y1
Eo
n
2
n
KL sin2 U
E Eo cos4
式中：n'和n分别为光学系统的像方和物方介质的折射率；K为
光学系统的透过率；L为物体的亮度；U'为像方孔径角；ω为所
考虑点对应的视场角。
对于观察无限远景物，应采用合适的望远镜，轴上像点的
照度为：
1、望远系统的工作原理
如图8-31所示，是用来观测远距离物体的光学系统。由物镜 和目镜组成。
Γ tan' f1' tan f2'
2、望远物镜的光学成像特性
（1）分辨率
图8-31 望远镜的组成和工作原理
分辨率用极限分辨角Ψ来表示。
把刚好能被分辨开的两点对物镜入瞳中心的张角称为极限
分辨角。
140
D
若图像传感器的线分辨率为δ＇，则它与物镜极限分辨角Ψ
当物体位于有限距离时， 物像之间的关系式为达式为：
y y
式中 f x'
x f'
（2）相对孔径
物镜入瞳的直径与其焦距之比称为物镜的相对孔径，用 D
表示。
f'
摄影物镜的分辨率用单位长度（1mm）内可以分辨出的线对
数N来表示，其公式为 ：
N D
1.22f '
在摄影物镜的外镜筒上标示有与相对孔径对应的数字。数字 为相对如表8-1所示。
设传感器线分辨率为δ＇，斜照明条件下，显微物镜垂轴放大
率β应满足
' 0.5 或 2NA '
NA
显微物镜的放大率和分辨率（数值孔径）应相互匹配。
放大率的取值过低，已被物镜分辨开的细节不能被图像传感
器分辨；
若分辨率不足，放大率的取值再高，也无法分辨物体的细节。
8.4.3 望远系统及其物镜的光学成像特性
表8-1 摄影物镜的光圈数
相对孔径D/f′ 光圈数F
1:1.4 1:2 1:2.8 1:4 1:5.6 1:8 1:11 1:16 1:22
1.4 2
2.8 4 5.6 8
11 16 22
（3）视场角 物镜的视场角决定了能在接收器上成良好像的空间范围。
按照用途不同，摄影系统物镜可分为普通摄影物镜、大孔 径摄影物镜、广角摄影物镜、远摄物镜和变焦距物镜等五种， 其主要特性参数如表8-2所示。
需要选用不同的照明光源。 图像检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的
像来测量被检测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被检 物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。
前者，可选用白炽灯或卤钨灯（也可以用不同功率的LED 灯）作为照明光源；后者应选用各种激光为照明光源。
图像传感器一般采用氦氖激光器作为光源。