2015-光学成像课件
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光学成像技术1PPT课件
播方向），其值为
p
h
h
cc
式中c为真空中的光速，1983年第十七届国际计量大会
通过其值为
c = 299 792 458 m/s
❖ 至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光 学现象证实了光的波动性；另一 方面通过黑体辐射、 光电效应和康普顿效应 等又证实了光的量子性—— 粒子性。
❖ 光的本性——物质（实物和场）的本性—波粒二象 性
n c v
所有介质的折射率都大于1
x 射射 线线
紫红 外外 光光
微
无
波
线
电
波
可见光(400~750nm)
1. 电磁波谱
各种波长的电磁波中，能为人眼所感受的是 400 — 760 nm 的窄小范围。对应的频率范围是 ：
= （7.6 4.0）1014 HZ
这波段内电磁波叫可见光。在可见光范围内，不同 频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。
2.粒子说（十七世纪末)
17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光 的研究引向进一步发展的道路。牛顿根据光 的直线传播性质，提出了光是微粒流的理论。 惠更斯反对光的微粒说，从声和光的某些现 象的相似性出发，认为光是在 波。这一时期 中，在以牛顿为代表的微粒说 占统治地位的 同时，以惠更斯为代表的波动 说也初步提出 来了。
3. 光的折射反射定律：
(1) 光的反射定律：反射线位于入射面内，反射线和 入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即
i1 i1
小孔成像
箱 子
小孔
折射定律
N A
折射光线跟入射光线和法线在 同一平面内，折射光线和入射光
θ1 O
θ2
线位于法线的两侧，但是，入射 空气 角和折射角之间究竟有什么定量 玻璃 关系呢？1621年，荷兰数学家斯
二 几何光学成像PPT课件
保持光束的单心性是成像的基本条件。
.
2
例
• 1. 成像光学系统保持光束的 本条件。单心性
是成像的基
• 2. 实像可以在像的位置被屏幕接收到。（√）
.
3
三、物空间与像空间
• 物点所在的空间叫做物空间，也称为物方。 • 像点所在的空间叫做像空间，也称为像方。记！
.
4
六、符号规则
.
5
1. 距离
• ⑴ 沿轴距离 • 以基准面或基准点为初始点测量，逆入射光线方
• （例）
• 球面反射镜为等焦系统 f '= f
• 球面折射为不等焦系统，因
n f
n f
，f
f
。
.
30
例
• 1.下列光学系统中，（ ）为不等焦光学系统。 • A．空气中的一端球面长玻璃棒 • B．空气中的玻璃薄透镜 • C．空气中的玻璃厚透镜 • D．空气中的玻璃球面反射镜
• 2. 人眼通过鱼缸观察水里的鱼时，所看到鱼的像 是实像。（ ）ד实像”改为“虚像”
• A．顶点后20cm的正立实像 • B．顶点后20cm的正立虚像 • C．顶点前20cm的倒立实像
1 1 2 l 10 40
• D．顶点后20cm的倒立实像
h 202
h 10
.
25
• 3.一个物体位于球面镜顶点左侧10cm处，其像落在顶点 右侧20cm处。则该球面镜的曲率半径为（ ）。
• A．40cm B．－40cm C．20cm D．－20cm
l17.79c2m
.
45
3. 焦度
• 空气中 • 水中
1
11
Fa fa
(nL1)(r1
) r2
.
2
例
• 1. 成像光学系统保持光束的 本条件。单心性
是成像的基
• 2. 实像可以在像的位置被屏幕接收到。（√）
.
3
三、物空间与像空间
• 物点所在的空间叫做物空间，也称为物方。 • 像点所在的空间叫做像空间，也称为像方。记！
.
4
六、符号规则
.
5
1. 距离
• ⑴ 沿轴距离 • 以基准面或基准点为初始点测量，逆入射光线方
• （例）
• 球面反射镜为等焦系统 f '= f
• 球面折射为不等焦系统，因
n f
n f
，f
f
。
.
30
例
• 1.下列光学系统中，（ ）为不等焦光学系统。 • A．空气中的一端球面长玻璃棒 • B．空气中的玻璃薄透镜 • C．空气中的玻璃厚透镜 • D．空气中的玻璃球面反射镜
• 2. 人眼通过鱼缸观察水里的鱼时，所看到鱼的像 是实像。（ ）ד实像”改为“虚像”
• A．顶点后20cm的正立实像 • B．顶点后20cm的正立虚像 • C．顶点前20cm的倒立实像
1 1 2 l 10 40
• D．顶点后20cm的倒立实像
h 202
h 10
.
25
• 3.一个物体位于球面镜顶点左侧10cm处，其像落在顶点 右侧20cm处。则该球面镜的曲率半径为（ ）。
• A．40cm B．－40cm C．20cm D．－20cm
l17.79c2m
.
45
3. 焦度
• 空气中 • 水中
1
11
Fa fa
(nL1)(r1
) r2
第3章光学成像系统的频率特性精品PPT课件
j
k 2f
(x2
略去exp(jkf)
y
2
)
exp
j
2 f
( xx f
yy f
) dxdy
Information Optics
Uf (xf , yf )
exp
j
k 2f
(
x
2 f
j f
y2f )
At( x,
y)P ( x,
y) exp
j
2 f
( xx f
yy f
) dxdy
由上式可见，后焦面的光场分布与透镜孔径所包围的那一部分 入射光场的FT成正比
1 透镜孔径内
P(
x,
y)
0
其它
k
tl (x,
y)
p( x,
y)exp
j
2
f
x2 y2
透镜的相位变换作用，是由透镜本身的性质决定，
❖理解透镜相位变换的物理意义
可通过考察透镜对垂直入射的单位振幅平面波的效应， 来理解透镜相位变换的物理意义
Information Optics
f
-f
会聚透镜 f > 0
若物体尺度小于透镜孔径,P(x,y)可以略去; 可得到：
Uf (xf , yf )
A
j f
exp
j
k 2f
(
x
2 f
y
2 f
)
t( x,
y) exp
j
2 f
( xx f
yy f
) dxdy
T (u,v)
Information Optics
可见：后焦面上空间坐标与空间频率坐标的关系为:
科学探究：凸透镜 成像教程PPT
屏，光屏上始终得不到像，则该凸透镜的焦距可能
是
（ A）
A、30cm B、15cm C、10cm D、5cm
自我评价
3、在“研究凸透镜成像”实验中
(1)实验所需的主要器材有光具座、_蜡__烛________、 __凸__透__镜_____、__光__屏_______。
(2)把凸透镜、光屏、蜡烛放在一条直线上，要调整
自我评价
1、在探究凸透镜成像的实验中，凸透镜焦距
为10 cm
（1）若烛焰放在距凸透镜24cm处，经透镜可得到 一个 倒立缩小的实 像。
（2）若烛焰放在此透镜前12cm处，经透镜可得到 一个 倒立放大的实 像。
（3）若烛焰放在此透镜前8cm处，经透镜可得到
一个正立放大的虚
像。
2、某物体放在离凸透镜20cm处，无论怎样移动光
2.某同学做”凸透镜成像”实验时, 把光屏移到离凸透镜16CM处,使在光 屏上出现烛焰的倒立.放大.清晰的像, 则该同学使用的凸透镜的焦距可能是 (A ) A.6CM B.8CM .C12CM D.18CM
3.一凸透镜的焦距为f,当物体从 离凸透镜1.5f处移到3f处的过程 中,像的大小和像距变化情况是 ( A) A.像变小,像距变小 B.像变小,像距变大 C.像变大,像距变小 D.像变小,像距变大
作图探究
F F
f u<f 倒立放大虚像
2021/1/4
物距（u ）
像的性质
倒立或 放大或 实像或 像距（ v
正立 缩小 虚像
）
应用
一束平行光
实像点
V=f
测凸透镜焦
距
u＞2f u＝2f
倒立 缩小 实像 f＜v＜2f 照相机 倒立 等大 实像 v＝2f
第5章 光电成像系统PPT课件
1
• 一个电荷量为Qo的电荷包，经过n次转移后 的输出电荷量应为：
Qn Qo n
• 总效率为： Qn / Qo n
2 不均匀度(非均匀性)
• 光敏元的不均匀 • CCD的不均匀
• 本节讨论光敏元的不均匀性，认为CCD是近 似均匀的，即每次转移的效率是一样的。
• 光敏元响应的不均匀是工艺过程及材料不均 匀性引起的，大规模器件的均匀性问题严重
3 CMOS与CCD器件的比较
• CCD摄像器件
• 灵敏度高、噪声低、像素面积小 • 难与驱动电路及信号处理电路单片集成，
需要使用相对高的工作电压，制造成本比 较高
• CMOS摄像器件
• 集成能力强、体积小、工作电压单一、功 耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低
• 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度
• 紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器可 用来存储和转移电荷，按适当的次序对这 些电极加上脉冲，它们就会产生携带一包 一包少数载流子的运动势阱
• 他们首先提出的一种器件结构是采用相同的 电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包， 最少需要三相时钟
• 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
• 在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信 号电压（电流）
5 光谱响应
• CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应， 最大响应值归一化为100%所对应的波长，
称峰值波长，通常将10%（或更低）的响
应点所对应的波长称截止波长。有长波端 的截止波长与短波端的截止波长，两截止 波长之间所包括的波长范围称光谱响应范 围。
固体摄像器件主要有三大类：
• 电荷耦合器件（Charge Coupled Device， 即CCD）
• 一个电荷量为Qo的电荷包，经过n次转移后 的输出电荷量应为：
Qn Qo n
• 总效率为： Qn / Qo n
2 不均匀度(非均匀性)
• 光敏元的不均匀 • CCD的不均匀
• 本节讨论光敏元的不均匀性，认为CCD是近 似均匀的，即每次转移的效率是一样的。
• 光敏元响应的不均匀是工艺过程及材料不均 匀性引起的，大规模器件的均匀性问题严重
3 CMOS与CCD器件的比较
• CCD摄像器件
• 灵敏度高、噪声低、像素面积小 • 难与驱动电路及信号处理电路单片集成，
需要使用相对高的工作电压，制造成本比 较高
• CMOS摄像器件
• 集成能力强、体积小、工作电压单一、功 耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低
• 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度
• 紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器可 用来存储和转移电荷，按适当的次序对这 些电极加上脉冲，它们就会产生携带一包 一包少数载流子的运动势阱
• 他们首先提出的一种器件结构是采用相同的 电极和三相时钟系统，为隔离各个电荷包， 最少需要三相时钟
• 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
• 在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信 号电压（电流）
5 光谱响应
• CCD的光谱响应是指等能量相对光谱响应， 最大响应值归一化为100%所对应的波长，
称峰值波长，通常将10%（或更低）的响
应点所对应的波长称截止波长。有长波端 的截止波长与短波端的截止波长，两截止 波长之间所包括的波长范围称光谱响应范 围。
固体摄像器件主要有三大类：
• 电荷耦合器件（Charge Coupled Device， 即CCD）
光学成像资料
网络等，以提高成像系统的性能和适用范围
CREATE TOGETHER
谢谢观看
THANK YOU FOR WATCHING
DOCS
03
像场均匀性
• 像场均匀性是成像系统中，像场内的亮度分布的均匀程
度
• 像场均匀性越高，成像系统的性能越好
03
光学成像技术的应用领域
光学成像在医学领域的应用
显微镜成像
• 光学显微镜在医学领域广泛应用于细胞、组织、细菌等微观结构的观察和研究
• 数字显微镜和荧光显微镜等技术的发展，提高了医学成像的分辨率和对比度
广泛应用
02
超高速成像技术
• 超高速成像技术是通过提高成像速度，实现对动态物体
的实时观测和记录
• 超高速成像技术在激光雷达、高速摄影等领域得到广泛
应用
03
立体成像技术
• 立体成像技术是通过获取物体在不同角度下的图像，实
现物体的三维重建和显示
• 立体成像技术在虚拟现实、增强现实等领域得到广泛应
用
光学成像技术面临的挑战
成像系统的性能评价指标
01
分辨率
• 分辨率是成像系统能够分辨物体的最小细节的能力
• 分辨率的表达式：δ = λ / (2 * N.A.)，其中λ是波长，
N.A.是透镜的数值孔径
• 分辨率越高，成像系统的性能越好
02
对比度
• 对比度是成像系统中，明暗区域之间的亮度差
• 对比度越高，成像系统的性能越好
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DOCS SMART CREATE
光学成像原理与技术应用
DOCS
01
光学成像的基本原理
光的传播与成像的基本概念
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DOCS
03
像场均匀性
• 像场均匀性是成像系统中，像场内的亮度分布的均匀程
度
• 像场均匀性越高，成像系统的性能越好
03
光学成像技术的应用领域
光学成像在医学领域的应用
显微镜成像
• 光学显微镜在医学领域广泛应用于细胞、组织、细菌等微观结构的观察和研究
• 数字显微镜和荧光显微镜等技术的发展，提高了医学成像的分辨率和对比度
广泛应用
02
超高速成像技术
• 超高速成像技术是通过提高成像速度，实现对动态物体
的实时观测和记录
• 超高速成像技术在激光雷达、高速摄影等领域得到广泛
应用
03
立体成像技术
• 立体成像技术是通过获取物体在不同角度下的图像，实
现物体的三维重建和显示
• 立体成像技术在虚拟现实、增强现实等领域得到广泛应
用
光学成像技术面临的挑战
成像系统的性能评价指标
01
分辨率
• 分辨率是成像系统能够分辨物体的最小细节的能力
• 分辨率的表达式：δ = λ / (2 * N.A.)，其中λ是波长，
N.A.是透镜的数值孔径
• 分辨率越高，成像系统的性能越好
02
对比度
• 对比度是成像系统中，明暗区域之间的亮度差
• 对比度越高，成像系统的性能越好
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光学成像原理与技术应用
DOCS
01
光学成像的基本原理
光的传播与成像的基本概念
《成像的基本概念》课件
摄像机性能参数：感光元件、像素、光学变焦、数字变焦 等。
数码相机
数码相机种类 家用数码相机 单反数码相机
微单数码相机
数码相机工作原理：通过镜头采集光 线，将景物反射的光线转化为数字信 号，经过处理后形成图片。
数码相机性能参数：传感器类型、像 素、镜头规格、对焦方式等。
医用影像设备
医用影像设备种类 X光机
VS
详细描述
医学影像领域中，成像技术用于诊断和治 疗，如X光、超声和MRI等；安全监控领 域中，成像技术用于监控和侦查，如红外 和夜视等；科学研究领域中，成像技术用 于观察微观和宏观世界，如显微镜和望远 镜等；娱乐产业中，成像技术用于电影、 游戏和虚拟现实等。
CHAPTER
02
成像原理
光学成像原理
05
成像技术展望
高清成像技术
总结词
高清成像技术是指通过高分辨率的显示设备，呈现出更加清晰、逼真的图像效果。
详细描述
随着显示技术的不断发展，高清成像技术已经成为现代成像系统的重要发展方向。高清成像技术能够 提供更高的分辨率和更丰富的色彩表现，使图像更加细腻、逼真，为医疗、教育、娱乐等领域提供了 更加优质的视觉体验。
CHAPTER
03
成像设备
光学摄像机
在此添加您的文本17字
摄像机种类
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模拟摄像机
在此添加您的文本16字
数字摄像机
在此添加您的文本16字
高清摄像机
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摄像机工作原理：通过镜头采集光线，将景物反射的光线 转化为电信号，经过处理后形成视频信号。
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虚拟现实（VR）和增强现实（AR）成像技 术是指通过计算机技术和传感器技术，创造 出虚拟或增强的三维场景和对象，并呈现给 用户。
数码相机
数码相机种类 家用数码相机 单反数码相机
微单数码相机
数码相机工作原理：通过镜头采集光 线，将景物反射的光线转化为数字信 号，经过处理后形成图片。
数码相机性能参数：传感器类型、像 素、镜头规格、对焦方式等。
医用影像设备
医用影像设备种类 X光机
VS
详细描述
医学影像领域中，成像技术用于诊断和治 疗，如X光、超声和MRI等；安全监控领 域中，成像技术用于监控和侦查，如红外 和夜视等；科学研究领域中，成像技术用 于观察微观和宏观世界，如显微镜和望远 镜等；娱乐产业中，成像技术用于电影、 游戏和虚拟现实等。
CHAPTER
02
成像原理
光学成像原理
05
成像技术展望
高清成像技术
总结词
高清成像技术是指通过高分辨率的显示设备，呈现出更加清晰、逼真的图像效果。
详细描述
随着显示技术的不断发展，高清成像技术已经成为现代成像系统的重要发展方向。高清成像技术能够 提供更高的分辨率和更丰富的色彩表现，使图像更加细腻、逼真，为医疗、教育、娱乐等领域提供了 更加优质的视觉体验。
CHAPTER
03
成像设备
光学摄像机
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摄像机种类
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模拟摄像机
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数字摄像机
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高清摄像机
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摄像机工作原理：通过镜头采集光线，将景物反射的光线 转化为电信号，经过处理后形成视频信号。
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虚拟现实（VR）和增强现实（AR）成像技 术是指通过计算机技术和传感器技术，创造 出虚拟或增强的三维场景和对象，并呈现给 用户。
物理光学课件：3_4光学成像系统的衍射和分辨本领
D
显微物镜
S1 u
0
S2
0.61 数值孔径 nsin u NA n sin u
S’2
u’
S’1
l
增大分辨率的方法：减小物距（减小物镜焦距）、增 大 n、减小波长。
电子显微镜可见区
光学显微镜可见区
近场光学显微镜可见区
纳米科 学
举例
0
1.22
D
在正常照明下，人眼瞳孔直径约为3mm，对于最
小刻度为毫米mm的尺子，离眼睛的距离不能超过
点光源距 离较大 可分辨
符合 瑞利 判据
点光源距 离太小
不可分辨
透镜的分辩本领 ( 经透镜 )
几何光学： 物点(集合) 象(点集合)
( 经透镜 )
波动光学 ： 物点 象斑
物点(集合) 象斑 (集合)
衍射限制了透镜的分辨能力。
二、几种常见的光学系统的分辨本领
（1）望远镜的分辨本领
点物对望远镜的张角：
§3－4 光学成像系统的衍射和分辨本领
一、像面上的夫琅和费衍射
L1
D L2
S
S’
夫琅和费
衍像
S’
系统
R
公式推导：
E x, y exp(ikR)
i R
E ( x1 ,
y1 )
exp
ik 2R
( x
x1 ) 2
(
y
y1 ) 2
dx1dy1
E ( x1 ,
y1 )
（2）照像物镜的分辨本领
感光底片上的最小分辨像距：
＝f 0 1.22 f D (mm)
感光底片上单位长度（mm）能分辨像点数：
N1 D
mm1
1.22 f
光学成像原理：图像形成的物理基础
成像系统的性能与优化
成像系统的性能
• 分辨率：描述成像系统对细 节的再现能力 • 动态范围：描述成像系统对 光信号的转换能力 • 灵敏度：描述成像系统对光 信号的响应能力
成像系统的优化
• 提高分辨率：优化成像器件 和光学系统 • 扩大动态范围：优化成像器 件和信号处理电路 • 提高灵敏度：优化光敏元件 和信号处理电路
光纤通信
光纤传感
光纤成像
01
• 使用光纤传输信号，实现长 距离、高速率的通信 • 适用于电话、互联网、有线 电视等领域
02
• 使用光纤传感技术检测物理 量，如温度、压力、应力等 • 适用于工业、军事、环境监 测等领域
03
• 使用光纤传输光线，实现远 程成像和照明 • 适用于医疗、军事、安防等 领域
05
成像传感器与成像系统的应用实 例
数字相机
• 使用成像传感器接收光线，转换为数字 信号 • 适用于摄影、摄像等领域
医学成像
• 使用成像传感器检测人体内部结构，如 CT、MRI等 • 适用于医疗诊断、治疗等领域
遥感成像
• 使用成像传感器远程检测地球表面的信 息，如卫星遥感、无人机航拍等 • 适用于地理测绘、环境监测等领域
透镜的成像特性与像差
透镜的像差
• 球差：成像系统的放大倍数不一致引起的像差 • 彗差：光轴上不同位置的光线聚焦点不一致引起的像差 • 像散：不同波长的光线聚焦点不一致引起的像差
透镜的成像特性
• 焦距：透镜的成像放大倍数 • 主面：光线汇聚和发散的面 • 光轴：通过透镜中心和主面的直线
透镜成像的应用实例
光学系统的光圈
• 控制光线的通量和景深 • 光圈越大，通量越大，景深越浅 • 光圈越小，通量越小，景深越深
光学成像仪器PPT课件
第3页/共8页
三.简化眼模型
视角—人眼对物体的张角
正立物所对应的视角为正
倒立物体对应的视角为负
所有助视仪器(放大镜、望远镜、显微镜)均为增大视角而设计
最小分辨角—能够分辨的最靠近的两点对人眼所张的角
最小分辨角从几何上看由视网膜上锥细胞的排列精细程度决定，实际上对物体的分辨角 的限制是光的衍射效应 对最小分辨角的限制。
第1页/共8页
杆状细胞(弱光)和锥状细胞(强光) 视网膜中心—黄斑(0.25mm最敏感区) 视神经出口区域无感受器—盲点，由于眼球不 断转动,盲点几乎无影响
第2页/共8页
二.人眼的调解 远点—眼睛完全松弛状态下看清楚的最远点，正常眼的
远点在无穷远 近点—睫状肌最大收缩(焦距最短)看清的最近距离。
一般,人眼最舒适的明视距离为20---30cm。
近视眼—眼球过长,当睫状肌完全松弛时,无穷远物体成 像在视网膜的前方,远点在有限远—凹透镜矫正
远视眼—眼球过短,无限远物体成像在视网膜的后方,近 点一般比正常眼要远—凸透镜矫正
散光—角膜的缺陷可能造成眼睛在一个平面(例如铅直 平面)内的折射比另一平面(例如 水平面)内大,导致眼睛所看到的物像失真—柱面镜矫正
第5页/共8页
◆ 用逐阶比较方法可以精确地判断两种颜色的明亮感觉是否相同
假设波长是550nm和 的两种光引起相同的明暗感觉，它们分别需要辐射能通量
和 瓦特，
550
V () 550
——对该波长 的视见函数
表示人眼对各种波长光的相对敏感程度。
注意：红外光和紫外光无论具有多大功率也不能引起人眼视觉的反应，其视见函数值 为零，所以成为不可见光。
第4页/共8页
四.视见函数 单位时间内光通过某面元的各种波长的总电磁辐射，称为通过该面元的辐射通量。
三.简化眼模型
视角—人眼对物体的张角
正立物所对应的视角为正
倒立物体对应的视角为负
所有助视仪器(放大镜、望远镜、显微镜)均为增大视角而设计
最小分辨角—能够分辨的最靠近的两点对人眼所张的角
最小分辨角从几何上看由视网膜上锥细胞的排列精细程度决定，实际上对物体的分辨角 的限制是光的衍射效应 对最小分辨角的限制。
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杆状细胞(弱光)和锥状细胞(强光) 视网膜中心—黄斑(0.25mm最敏感区) 视神经出口区域无感受器—盲点，由于眼球不 断转动,盲点几乎无影响
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二.人眼的调解 远点—眼睛完全松弛状态下看清楚的最远点，正常眼的
远点在无穷远 近点—睫状肌最大收缩(焦距最短)看清的最近距离。
一般,人眼最舒适的明视距离为20---30cm。
近视眼—眼球过长,当睫状肌完全松弛时,无穷远物体成 像在视网膜的前方,远点在有限远—凹透镜矫正
远视眼—眼球过短,无限远物体成像在视网膜的后方,近 点一般比正常眼要远—凸透镜矫正
散光—角膜的缺陷可能造成眼睛在一个平面(例如铅直 平面)内的折射比另一平面(例如 水平面)内大,导致眼睛所看到的物像失真—柱面镜矫正
第5页/共8页
◆ 用逐阶比较方法可以精确地判断两种颜色的明亮感觉是否相同
假设波长是550nm和 的两种光引起相同的明暗感觉，它们分别需要辐射能通量
和 瓦特，
550
V () 550
——对该波长 的视见函数
表示人眼对各种波长光的相对敏感程度。
注意：红外光和紫外光无论具有多大功率也不能引起人眼视觉的反应，其视见函数值 为零，所以成为不可见光。
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四.视见函数 单位时间内光通过某面元的各种波长的总电磁辐射，称为通过该面元的辐射通量。
第二章 光学平面成像
虚物实像
特点： 3）镜像：当物为左手坐标系时，其像为右手坐 标系。反之亦然。 （奇数次反射为镜像，偶数次反射为一致像）
单个平面镜成镜像
平面镜旋转 当保持入射光线的方向不变，使平面镜 转动一个α 角，则反射光线将转动2α 角。
•对摆动的角度起到了 一个放大的作用。
•利用这一放大性质， 即可以测量微小的角 度或微位移。
H
空气n2=1 水n1=1.5
y
例：水深度为60cm处有一 个青蛙，在水面上方看到的 青蛙上升了多少cm?
像方折射率
解： n2 y y n1
像距
物距
空气n2=1 水n1=1.5
上升的高度为
像距 y`=40cm 物距 y=60cm y
H=(1-n2/n1)*(水 深度)
三、折射棱镜的作用
1、偏向角δ 的定义及符号规定： 2、偏向角δ 的计算
双平面镜成像意义： 1、有些二次反射式棱镜就是基于这原理构成； 2、可用双平面系统来转折光路，以取代重量大 的棱镜。
二、反射棱镜的成像
全反射：光从光密介质射入光疏介质，当入射角 增大到某一角度，使折射角达到90o 时，折射光 完全消失，只剩下反射光。 条件：1）光密 光疏 2）入射角大于或等于临界角
（2）等效空气板：
e-等效空气板厚度， d-平行平板玻璃厚度， n-玻璃板材料的折射率
d e n
棱镜在光路中相当于一块平板玻璃， 不影响光学系统的成像特性，而只是使 像平面向后移动一段距离△L’ 。在计算 时可以用等效空气板代替玻璃板。
第二节 折射光的成像
一、平面平行玻璃板的成像
1 cosU1 L' d (1 ) n cosU1 '
光现象凸透镜 成像教科版PPT
3、下图中的现象，由于光的折射造成的是（D ）
4、“影”是我们日常生活中常见的现象，如做 光学游戏形成的“手影”；民间皮影戏的“皮影”； 湖岸景色在水中形成的“倒影”；春游时的“摄影” 等，以下列出的“影”与物理知识对应关系不B正确的 是（ ） A、手影---光的直线传播 B、皮影---光的反射 C、倒影---平面镜成像 D、摄影---凸透镜成像
“入射角等于反射 角”说法是错误
1、 当入射光线与平面镜的夹角为600， 时,反射角为 __3_0°_____
2、 光线射到平面镜上,如果入射角为 200 ,则反射光线与入射光线的夹角为 ____4_0_°_
3、 一束光线射到平面镜上, 当入射光 线的夹角也增大200 时, 反射光线与入 射光线恰好垂直,则原来的入射角为 ___2_5_°___
射角也为20°。 B.入射光线靠近法线时，反射光线也将
靠近法线。
C.入射角增大5°时，反射光线与入射光 线之间的夹角也增大5°
D.镜面反射遵守光的反射定律，漫反射 不遵守光的反射定律。
三、光的折射
1．定义：光从一种介质 斜射 入另一种介质中时，它 的传播方向会 发生偏折 ，这种现象叫做光的折射。
2．折射规律 (在1)_折_同_射_一_光_平_线_面_、_上_入__射_．光线和法线
（4）光垂直进入介质时，传播方向 不改变。 (5)光折射时，光路是 可逆 的．
折射角是折射光线与法线的夹角，不要误认为是折 射光线和界面的夹角．
8．如图一束光线射到玻璃和空气的分界 面上的O点时，发生了反射和折射，根据
图中的角度判断入射光线是＿＿＿，反射
角的大小是＿＿＿＿＿，折射角的大小是
＿＿＿＿＿，玻璃在＿＿＿（MN、PQ） 的＿＿＿（上、下、左、右）方。
成像课件PPT
多光谱成像
智能化成像
多光谱成像技术能够获取物体在不同波长 下的图像，提供更丰富的信息，在农业、 环境监测等领域有广泛应用。
随着人工智能技术的发展，成像设备逐渐 具备了自动识别、目标跟踪等功能，提高 了成像的智能化水平。
成像技术面临的挑战
数据处理挑战
高分辨率、实时成像产生了大量的数据，如何快速、准确地处理这些 数据是一个挑战。
成像技术的分类
主动成像
利用发射信号与目标物体相互作 用后，接收并处理反射或散射信 号形成的图像。例如雷达、超声 波等。
被动成像
仅利用目标物体自身发射的信号 或自然光形成的图像。例如可见 光成像、红外成像等。
成像技术的应用领域
01
02
03
04
军事侦察
利用成像技术获取敌方情报， 进行目标识别和定位。
始物体相同的三维图像。
全息成像技术可以捕捉物体的形 状、颜色、纹理和深度信息，提
供逼真的三维视觉效果。
全息成像技术的分类
01
02
03
光学全息成像
利用光学干涉和衍射原理 ，通过记录和再现物体的 光波前，实现三维图像的 再现。
数字全息成像
利用数字技术记录和再现 物体的全息图像，可以在 计算机上生成和显示三维 图像。
虚拟现实成像技术通过头戴式显示器 等设备将三维图像呈现在用户眼前， 使用户感觉仿佛置身于一个真实的世 界中。
虚拟现实成像技术利用传感器、投影 设备、显示器等硬件设备，结合软件 算法，实现实时交互和动态渲染。
虚拟现实成像技术的分类
基于投影的虚拟现实技术
01
通过投影设备将图像投射到特殊的半透明屏幕上，用户佩戴特
多模态和多维度成像
未来成像技术将融合多种模态和维度，提供 更丰富的信息。
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35
微分干涉（DIC）显微成像
埋植于铜架中的铌-锡超导丝束
(a) 明场成像，黑色区域为制作过程中残留的锡，蓝色的一层为钽
(b) 暗场成像，超导丝和钽层没有成像，而残留的锡反射光成像，形成包围 超导丝的金属环带
(c) 微分干涉衬成像，铜架清晰可见，但残留的锡和钽层却看不到
不同成像方法相互补充
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微分干涉（DIC）显微成像
增大数值孔径
增大n值——使用水镜或油镜等
/immersionoilmicroscope.shtml
Air = 1 Water = 1.33 Oil ≈ 1.51
21
显微成像基本概念
• 横向分辨率
分辨率公式取决于整个显微成像过程中 各个光学部件参数，经过一系列理论推 导得到，且与样品对比度和实际照明的 效果有关 减小波长——使用短波长光源 Practical Resolution (as well as NA):
19
相差物镜 在物镜后焦面处加入涂有氟化 镁的相板；延迟相位以区分直 射光和衍射光，使光程差转换 为振幅差。
•
• • •
反射光物镜
数值孔径可调物镜 超低放大倍数物镜 长工作距离物镜
显微镜的基本结构与部件
• 目镜 作用：对物镜放大的实像（中
间像）再放大
SW：大视野 UW：超大视野 H：高焦点，允许观察者戴眼镜 26.5：视场数（单位mm）
6
显微镜的基本结构与部件
光源 聚光镜 物镜 目镜 探测器
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显微镜的基本结构与部件
• 光源：白炽灯
卤素灯，是目前显微镜最常用的白炽灯光源之一，发射的是连续光。
8
显微镜的基本结构与部件
• 光源：弧光灯
汞灯和氙灯较为常用。
9
显微镜的基本结构与部件
• 光源：激光
荧光显微镜，共聚焦显微镜，双光子荧光显微镜，荧光寿命成像显 微系统，都需要使用激光光源。 分为：固体激光器，气体激光器，染料激光器，半导体激光器等
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显微镜的基本结构与部件
∞：筒长 0.17：配用的盖玻片厚度（单位 mm） WD 0.21：工作距离（单位 mm）
盖玻片厚度不标准，光从盖玻片 进入空气产生折射的光路发生改 变，产生相差，即覆盖差 盖玻片标准厚度为0.17 mm，许 可范围为0.16-0.18 mm，物镜在 制造上已将些厚度范围内的相关 计算在内
10
显微镜的基本结构与部件
• 聚光镜：使用数值孔径0.40以上的物镜时，必须具有聚光镜。
作用：
•
• • •
将光聚焦于样品，得到最好的照明效果 弥补光量不足
适当改变光性质 是科勒照明的重要组成部分
种类：
• • •
•
阿贝聚光镜 消色差聚光镜 消球差聚光镜 消色差/消球差聚光镜
11
显微镜的基本结构与部件
13
显微镜的基本结构与部件
校正像差
Plan：平场 校正场曲，提高视场边缘成像质量 Ach：消色差 校正光轴上的位置色差（红和蓝 光）、球差（黄绿光）和正弦差 Apo：复消色差 校正光轴上的位置色差（红和蓝）、 球差（红和蓝光）和正弦差，以及 二级光谱（校正绿光的位置色差） Fluor：萤石（半复消色差） 成像质量介于消色差物镜和复消色 差物镜之间
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显微镜的基本结构与部件
60x：放大倍数 1.40：数值孔径 浸法特征： Oil：油浸 WI：水浸 Gly：甘油 MI：混合
减小玻片和物镜成像介质间的折射率 差异，提高数值孔径
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显微镜的基本结构与部件
特殊光学性质 DIC：微分干涉衬式 H：与专用Walloston 棱镜 配用达到最优放大 D：暗视野式 PH：相差式 POL：偏振光式 SF：无应变式 M ：金相（无盖玻片）
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显微镜分类
• 照明方式
明场显微镜 暗场显微镜
• 光学原理
相差显微镜 偏振（偏光）显微镜 微分干涉衬显微镜 （DIC）
• 成像原理或结构
荧光显微镜 共聚焦显微镜 多光子显微镜
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提 纲
• 显微光学系统的基本理论 • 明场和微分干涉（DIC）显微成像 • 荧光显微成像 • 共聚焦、双光子激发荧光显微成像 • 荧光寿命显微成像 • 超分辨显微成像
武汉磁共agnetic Resonance in Wuhan
生物磁共振分析重点实验室
Key Laboratory of Magnetic Resonance in Biological Systems
显微光学成像
报告人：徐玲玲 电 话：13377885232 E-mail：xll@
d a db d c
提高 分辨率
增大NA值——使用高NA值的 物镜 增加明暗反差
Abbe定律：光学显微镜分辨率极限约
为200 nm
22
显微成像基本概念
• 纵向分辨率
23
显微成像基本概念
分辨率的其他影响因素
分辨率除了与折射率，波长相关外，还与下面一些因素相关： 对比度：足够的染色对比度或是光学对比度 折射率差：镜头的分辨能力必须存在折射率差 样品厚度：分辨率决不会高于样品厚度的~ 1/10 放大倍数 = 物镜放大倍数 × 目镜放大倍数
孔径光阑尺寸
90%
60% 0.54 0.72
炫目感减弱， 图像尖锐，没 有明显的衍射
20% 0.18 0.24
细节衍射和反 射而变模糊， 分辨率下降
孔径光阑N.A. 0.81 与物镜N.A.比 1.08
图像很亮，有 很强的散射和 炫目
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明场显微成像
科勒照明的调节：调节视场光阑和聚光镜
10x物镜
视场光阑和 孔径光阑均 关闭到最小
光学显微镜 ( > 200 nm)
人眼 (>75 m)
DNA double helix, about 2 nm; Eight-cell-stage human embryo three days after fertilization, about 200 μm; A wolf spider, about 15 mm across; Emperor penguins, about 1m tall.
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显微镜的基本结构与部件
工作距离与齐焦距离
工作距离：样品正确聚焦时，物镜前 透镜表面到样品之间的距离 平常所说的调焦实际是调节工作距离 物镜数值孔径越大，其工作距离越小
齐焦：转换物镜时，样品均处于最佳 焦面，且成像中心在一定范围内，即 合轴 齐焦距离：样品到物镜固定螺纹边缘 之间的距离 一般，齐焦距离设定为45 mm，不同厂 家制造的特殊物镜会有所区别
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显微镜的基本结构与部件
特殊物镜种类
• • • • • • 相差物镜 微分干涉衬物镜 Hoffman调制相衬物镜 近红外显微镜用物镜 干涉显微镜用物镜 偏振光物镜
Hoffman调制相衬物镜 提高未染色活体组织的可见度 和对比度；在物镜的后焦面上 装有独特的调制器—空间滤波 器；将相位梯度转换为光强度 变化，使透明的活体标本产生 生动、具有三维立体感的图像。 带校正环物镜 调节配用的浸液； 调节配用的载玻片厚度，校 正覆盖差
视场：从显微镜目镜里看到的明
亮的圆形范围 视场直径 = 视场数 /（物镜放大倍数 ×筒镜放大倍数） 0.53 mm = 26.5 mm /（ 40 × 1.25 ）
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显微镜的基本结构与部件
• 数值孔径（Numerical Aperture， NA ）:是判断物镜和聚光镜性能的 重要技术参数。
样品与物镜间 介质折射率 半孔径角 孔径角：光轴上物体点 与物镜前透镜的有效直 径所形成的角度 为充分发挥物镜数 值孔径，聚光镜的NA 值应等于或略大于物镜 的NA值 增大孔径角——目前最大的能够做到76°
• 物镜
显微镜最重要的光学部件
对样品的第一次成像
直接影响显微镜的成像质量和各 项光学技术参数 衡量一台显微镜质量的首要标准
Achromatic：消色差 Fluorite：萤石 Apochromatic：复消色差
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显微镜的基本结构与部件
物镜标示与光学参数
生产厂家
Olympus：奥林巴斯 Nikon：尼康 Zeiss：蔡司 Leica：徕卡
DIC显微镜使细胞的结构，特别是一些较大的细胞器，如核、线粒体 等，立体感特别强，适合于显微操作。
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微分干涉（DIC）显微成像
DIC调节简易步骤：
1.科勒照明调节 2.插入起偏器 3. 检查两棱镜是否已加入光 路中 4.插入检偏器，调节检偏器 的角度，直至图像出现浮雕 感。 5. 图像显示为一边明，一边 暗。
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斜射式
明场显微成像
透射/落射式明场照明
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明场显微成像-科勒照明
科勒照明 要点：光源灯丝在聚光镜孔径光阑成像
两组共轭平面
科勒照明的优势： 均匀而又充份明亮的照明 不会产生耀眼的眩光 不会烤焦样品 极为有效的控制被照明的视场及其照 明孔径
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明场显微成像-孔径光阑
改变聚光镜孔径光阑的大小，使光源充满不同物镜的入射光瞳，而使 聚光镜的数值孔径与物镜的数值孔径匹配。 例子： 物镜: 40x/0.75 聚光镜: NA=0.90
不同成像方法的比较：
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提 纲
• 显微光学系统的基本理论 • 明场和微分干涉（DIC）显微成像 • 荧光显微成像 • 共聚焦、双光子激发荧光显微成像 • 荧光寿命显微成像 • 超分辨显微成像
为了充分发挥显微 镜的分辨能力，应 使数值孔径与显微 镜总放大倍率合理 匹配。
Plan Ach 20x 0.4 物镜 10x 光学放大 Plan Ach 4x 0.1 物镜 50x 光学放大
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