第6章 成像仪器与光谱仪
《光谱仪器》PPT课件
**CCD对冷原子成像，原子的空间密度分别，分析原子的统计特性〔经 典 量子〕
Gaussian分别：热原子
n G ( r ) ( 2 ) 3 /2 N xyze x p ( ( 2 x 2 x 2 2 y 2 y 2 2 z 2 z 2 ) )
N0 1(T)3
N
Tc
Thomas-Fermi分布：量子凝聚体
光栅方程
光程差
闪耀角：光栅法线 与刻槽法线的夹角。 闪耀角：
Littrow构造： = =-
〔光线原路反射〕
调节入射角调节波长
半导体激光器
Littrow 光路图
Diode laser in Toptica
:// toptica /products/diode_lasers/
Voltage/current control
光谱分辨率
任何一个色散仪器的光谱分辨本领定 义为：
(0.81)
R
其中 =1-2是可分辨的最小谱线 波长间隔
Rayleigh光谱分辨判据：当一个波 长的衍射极大与另一波长的衍射 极小重合时，刚好分辨；更近那 么不可分辨
自由光谱区〔范围〕
谱仪的自由光谱区 〔FSR〕： 谱仪的像面上强度分布 I( )与波长 之间存在单 值关系的波长间隔。
从而减小分辨率； 2、光路对称性不保证，带来波
长测量系统误差； 3、激光的良好相干性导致附加
的衍射峰
利用毛玻璃，产生非相关光，再测量
光谱透过率
棱镜摄谱仪可用范围取决于材料的光谱透过特性〔减少吸收〕
不同材料光谱范围
不同材料投射率
<180nm〔棱镜摄谱仪〕：真空，LiF/CaF 镜面和光栅可以渡高反射模 光栅优于棱镜 全息生产光栅 光栅光谱仪应用于真空紫外到远红外
成像光谱仪及其应用概述
成像光谱仪简介及其应用概述成像光谱仪：将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。
它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像。
在陆地、大气、海洋等领域的研究观测中有广泛的应用。
成像光谱仪–概述成像光谱仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的，它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像，在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用，高成像光谱仪可以应用在地物精确分类、地物识别、地物特征信息的提取。
建立目标的高光谱遥感信息处理和定量化分析模型后，可提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平.。
由于成像光谱仪高光谱分辨率的巨大优势，在空间对地观测的同时获取众多连续波段的地物光谱图像，达到从空间直接识别地球表面物质的目的，成为遥感领域的一大热点，正在成为当代空间对地观测的主要技术手段。
地面上采用成像光谱仪也取得了很大的成果，如科学研究、工农林业环境保护等方面。
成像光谱仪主要性能参数是：（1）噪声等效反射率差（NE∆p），体现为信噪比（SNR）；（2）瞬时视场角（IFOV），体现为地面分辨率；（3）光谱分辨率，直观地表现为波段多少和波段谱宽。
高光谱分辨率遥感信息分析处理，集中于光谱维上进行图象信息的展开和定量分析，其图象处理模式的关键技术有：⑴超多维光谱图象信息的显示，如图像立方体（见图一）的生成；⑵光谱重建，即成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法，依此实现成像光谱信息的图象-光谱转换；⑶光谱编码，尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法；⑷基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法；⑸混合光谱分解模型；⑹基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演算法。
高光谱分辨率成像光谱遥感起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。
光学成像和光谱分析技术
光学成像和光谱分析技术的应用是现代科技中不可或缺的一部分，凭借其突出的优点已经在许多领域被广泛应用。
本文将介绍的基本概念，以及它们的发展历程及其应用。
光学成像技术光学成像是指利用光的反射、折射、散射以及透过的原理，通过透镜、凸面镜、凹面镜等光学元件将物体所反射或发出的光束汇集或分散，形成具有大小、形状、位置等特征的物象。
现代光学成像技术是由望远镜、显微镜、投影仪等器材的发明、制造和应用而得到广泛推广和应用的。
其中，望远镜和显微镜是两类典型的光学成像仪器，它们分别用于天文和微观领域的观察和研究。
望远镜通过三个基本的光学元件 -- 物镜，眼镜和视网膜，将天体的光线聚焦到人眼，形成清晰的图像，从而将天体的形态、特征、位置等信息传递给天文学家。
显微镜是分析和研究微观世界的重要工具之一，光学显微镜、透射电子显微镜等不同类型的显微镜能够使微小之物变得清晰可见，帮助人们研究和发现了许多新颖的物理、化学现象和细胞学特征。
光谱分析技术光谱分析技术是研究物质的性质和结构、分析化合物成分、搜寻新材料等的重要工具。
它是根据物质分子或原子的能级在光学波段吸收、发射、散射、旋光等的特性，利用光学仪器分析出物质的光谱信号，获得物质本质、精确定量以及分子或原子的特性等重要信息。
现代光谱分析技术发展历程相对于光学成像技术要晚一些，但是应用广泛。
在化学、物理、地球科学、医学、生物学等多个领域都得到了长足的发展。
例如，分析化学中的原子吸收光谱、荧光光谱、红外光谱等技术，地球科学中的拉曼光谱、红外光谱等技术，以及医学中的光学成像技术、X射线光谱等都是光谱分析技术在应用上的典型表现。
在生物技术领域的应用生物技术是当今社会中最迅猛发展的专业领域之一，其旨在利用现代技术手段研究和改造生物系统，以实现制备新材料、生产生物制品、疾病诊断、治疗和预防等目的。
在生物技术领域中的应用十分广泛。
例如，现代分子生物学中的荧光显微镜技术利用荧光染料特异性地标记细胞内的蛋白质、核酸、细胞器等，然后配合成像软件对光学显微镜或激光扫描共聚焦显微镜进行成像，从而深入研究生命各层次机制。
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。
成像光谱仪名词解释
成像光谱仪名词解释
成像光谱仪是一种先进的光学仪器，它能够同时获取光谱和图像信息。
它可以测量一个样品的光谱，并产生对该样品的图像。
成像光谱仪提供了高空间分辨率和高光谱分辨率的数据，使得用户能够获得对样品物理和化学属性的详细了解。
以下是成像光谱仪中常用的一些名词解释：
1. 光谱：光谱是光线在通过物质后所产生的不同波长的分布图。
成像光谱仪可以测量不同波长的光强度，并将其转换为图像。
2. 空间分辨率：空间分辨率是成像光谱仪测量的图像中所包含的细节程度。
高空间分辨率意味着仪器能够捕捉到更小的特征。
3. 光谱分辨率：光谱分辨率是成像光谱仪所能分辨的最小波长差。
高光谱分辨率意味着仪器能够分辨更窄的光线频率范围。
4. 多光谱成像：多光谱成像是一种成像光谱技术，它使用多个相机或光谱仪来同时获取不同波长下的图像和光谱信息。
5. 超分辨成像：超分辨成像是一种成像技术，它可以在不损失空间分辨率的情况下提高光谱分辨率。
这种技术可以在样品的微小特征上提供更详细的光谱信息。
成像光谱仪在材料科学、医学、环境和地球科学等领域得到了广泛的应用。
它可以用于分析样品中的化学成分、材料结构、病理学等，并可以提供丰富的信息来支持科学研究和实践应用。
- 1 -。
第6章 天文望远镜
2001设在智利的欧洲南方天文台研制完成了“超大望 远镜”(VLT) 。
哈勃空间望远镜
哈勃空间望远镜 （Hubble Space Telescope，HST）， 是人类第一座太空望 远镜，总长度超过13 米，质量为11吨多， 运行在地球大气层外 缘离地面约600公里的 轨道上。它大约每100 分钟环绕地球一周。
哈勃望远镜的角分 辨率达到小于0.1秒， 每天可以获取3到5G 字节的数据。
凯克望远镜
Keck I 和Keck II分别在1991年和1996年建成，这是 当前世界上已投入工作的最大口径的光学望远镜。这 两台完全相同的望远镜都放置在夏威夷的莫纳克亚， 将它们放在一起是为了做干涉观测。它们的口径都是 10米，由36块六角镜面拼接组成，每块镜面口径均为 1.8米，而厚度仅为10厘米，通过主动光学支撑系统， 使镜面保持极高的精度。焦面设备有三个：近红外照 相机、高分辨率CCD探测器和高色散光谱仪。它所 能观测到的物体亮度比海尔望远镜所能见到的强4倍。 它具有成本低廉、修补时易移动的优点。"象Keck这 样的大望远镜，可以让我们沿着时间的长河，探寻宇 宙的起源，Keck更是可以让我们看到宇宙最初诞生 的时刻"。
5米直径的海尔望远镜
计算机辅助观测
1960年代起，天文学 家将计算机应用于望 远镜所有的设计、架 构与操作的各个阶段， 促使新一代效能更佳 的望远镜的来临，结 果产生了许多不同模 式的光学系统，适用 于多种不同的任务。
多面反射镜组成单一影像
1977年，设于美国亚历 桑那州霍普金斯山的第 一座多面反射镜望远镜 （MMT）首次运行。该 望远镜一排6片，直径1。 8米的反射镜，可聚集到 相当于直径4.5米单片反 射镜所聚集的光线。
成像光谱仪的特点及结构
5.样品架：用于支撑和定位样品；
6.光学系统：将光信号聚焦到样品上，并将反射或散射光信号收集回来；
7.光谱仪：将反射或散射的光信号分解成不同波系统：用于处理并分析采集到的光谱数据。除了以上基本结构外，不同类型的成像光谱仪还可能包括滤光片、偏振器、扫描器等附加部件，以及不同种类的探测器、光学镜头等不同的光学元件。
成像光谱仪是一种能够在空间和光谱两个维度上记录样品信息的仪器。它的主要特点和结构如下：特点：
1.可以同时获得空间和光谱信息，可以对样品进行高分辨率的成像分析；
2.可以进行非破坏性分析，不需要对样品进行处理或破坏；
3.具有高灵敏度和高精度，可以检测到样品中微量的成分。结构：成像光谱仪通常由以下部分组成：
光谱成像仪
光谱成像仪光谱成像仪是一种重要的科学仪器，它能够将物体发出的光通过光谱分解和图像传感器的技术集成，得到物体的光谱信息。
本文将介绍光谱成像仪的原理、应用领域以及未来的发展方向。
光谱成像仪的原理是通过光学元件将物体发出的光进行聚焦并传递到光谱分解元件上。
光谱分解元件可以将不同波长的光按照频谱分解成单一的波长，并将其传递到图像传感器上。
图像传感器则将光转化为电信号，并通过图像处理算法将其转化为可视的图像。
通过这种方式，光谱成像仪能够获取物体在不同波长下的光谱信息，并形成相应的图像。
光谱成像仪在许多领域都有广泛的应用。
首先，它在天文学研究中起着重要作用。
天文学家使用光谱成像仪来观测天体发出的光，并通过分析光谱信息来了解天体的组成、结构以及演化过程。
其次，光谱成像仪在环境监测方面也有重要的应用。
通过监测大气、海洋和土壤中的光谱信息，研究人员可以追踪气候变化、探测污染物和监控生态系统的健康状况。
此外，光谱成像仪还广泛应用于食品安全、农业、材料科学等领域，为相关研究和应用提供了可靠的数据和分析手段。
光谱成像仪在未来的发展方向上也有许多潜力。
首先，随着光学材料和光学器件的不断进步，光谱成像仪的分辨率将会进一步提高，能够获取更精细的光谱信息。
其次，随着光电子技术和图像处理算法的不断发展，光谱成像仪将能够更快速、高效地处理大量的数据，提高数据分析和图像生成的速度。
再次，随着人工智能和机器学习的快速发展，光谱成像仪将能够与其他智能设备进行联接，实现智能化的数据处理和图像识别。
总的来说，光谱成像仪是一种非常重要的科学仪器，在各个领域都有广泛的应用。
借助光谱成像仪，科学家们能够更深入地研究物体的光谱特性，从而推动科学技术的发展。
未来，光谱成像仪还有很大的发展潜力，我们可以期待它在更多领域的应用和进一步的创新。
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目镜Le
Fo Fe w y
fo
fe
伽利略望远镜
w w´
物镜Lo
Fo Fe
y
目镜Le
伽利略望远镜用发散透镜作目镜，物镜的像方焦点仍和 目镜的物方焦点重合。 -y’ 是物镜的实像，是目镜的虚物。 最后成正立的虚像（无穷远），增大了视角。
tan w tan w f o f e
物镜Lo
y
Fo
Fe
y
w
目镜Le
Fo
y
2.2 显微镜的分辨本领
由于放大的目的最终为了分辨细节，所以显微镜除应 有足够的放大本领外，还要有相应的分辨本领。 由于光的衍射, 即使光学仪器的像差得到很好的校正， 点物也不能形成点像. 而是形成一个光斑（艾里斑）， 这就有了光学仪器的分辨本领．
2.1 显微镜的放大原理 显微镜是由两个会聚系统组成。两会聚系统可以视 为两个正透镜。靠近物体的叫物镜（焦距很短）,靠近人 眼的叫目镜。 目镜Le 物镜Lo
y
Fo
Fe
y
Fo
y
w
Fo Fe f o, f e
光学间隔
通过目镜看物镜的像，目镜相当于放大镜. 最后像所张的视角，也是 中间像所张的视角:
在要求不高的情况下，常采用显微镜的物镜作为扩束 器使用。
F1
§4 光谱仪器分类和基本性能
4.1 4.2 光谱仪器分类 色散光谱仪的基本性能参数
4.1
光谱仪器分类
光谱仪：将混合光按不同波长分成谱的光学仪器。
光谱仪由三部分组成：照明系统、分光系统和接 收系统。分光系统是光谱仪的核心部分。
光谱仪按分光原理可分成三类：棱镜光谱仪、光栅 光谱仪和干涉光谱仪。 光谱仪按用途可分成三类：分光计、摄谱仪和单色仪。
像方焦距和物方焦距
f
n
,
f
n
1 p 1 f
p p
凸透镜：f ´ > 0 凹透镜：f ´ < 0
空气中的薄透镜（ n = n’ = 1.0 ）
f 1 , f 1
1 p
空气中薄透镜成像横向放大率
np n p
薄透镜成像规律
凸透镜：
物
在2F外侧 在2F处 在2F与F之间 在F处
§1 §2 §3 §4 §5 放大镜 显微镜 望远镜 光谱仪器分类和基本性能 棱镜、光栅和F-P干涉仪的分光性能
投影仪器、照相机、眼睛都相当于一凸透镜，使 物体成一倒立的实像。
投影仪器： 物体（画片）放在物方焦
面附近，成放大、倒立的实像。 F
p f,
p p
p f
照相机：物体（景物）较远，像平面（感光片）在像
其中:
y y
, 是物镜的横向放大率
Me 25cm f e
是目镜的视角放大率
y y
p p
f o
25cm f o f e
M
tan w tan w
Me
光学显微镜可以看清 0.1 微米的结构，常用于观察 细胞的结构、动植物的组织、金属的结构等。
即
M
tan w tan w
25cm f
y
y
F
25cm
w
f
F
由于像差等原因，放大镜的放大本领只能达到几倍。 如 2 .5 , 3
为了减少像差，常采用目镜。 目镜通常由不相接触的两个薄透镜(复合透镜)组成。 目镜等效于一块正透镜的放大镜，目镜放大本领在 20 左右。
§2 显微镜
像
倒立、缩小、实像 倒立、等大、实像 倒立、放大、实像 平行光，无像
在F内侧
凹透镜： 正立、缩小、虚像
正立、放大、虚像
11. 光阑
光阑的作用： 1）提高成像质量 2) 控制通光量 3) 限制成像范围
4) 拦截有害的散射光
景深，像差，作图法确定光阑（孔径光阑或者视场光阑）
第 六 章 成像仪器与光谱仪
x w 25cm 0.1mm
考虑眼睛内玻璃状液的折射率n=1.33，眼睛内的角度为：
1.22
nD
2.19 10 rad
4
视网膜与瞳孔的距离约为2.2cm，则视网膜上所成的艾里 斑的半径为： 2.2cm 5 m
1.2
放大镜的视角放大率
正透镜是最简单的放大镜。作用是放大视角。 物放在距人眼 25cm远处,对人眼张角为wLeabharlann 显微镜的分辨极限y
被观察的物面上刚能被分辨出的两物点之间的 距离来表征（推导略）：
y 0.61 n sin u
显微镜的分辨极限 y 正比于波长， 反比于物镜的数值孔径 n sin u
物镜
目镜
y n物镜的物方折射率， u入射孔径角 显微镜的最小可分辨距离不能小于半个波长
光学显微镜（分辨极限 ~ 几百nm） ：比人眼提高几百倍； 电子显微镜（分辨极限 ~ 零点几nm）：比光学显微 镜又提高几千 倍。 电子显微镜有更高的放大本领和分辨本领。能看到原子。 第一代：光学显微镜 第二代：电子显微镜
方焦面附近，成缩小、倒立的实像。
p f ,
F’
p p
f p
§1
1.1
放大镜
人眼的视角和最小可分辨角
1.2
放大镜的视角放大率
1.1
人眼的视角和最小可分辨角
眼睛：在视网膜上形成缩小、倒立的实像。眼睛的物、
像方介质折射率不相等。 人眼的调节：人眼是一种精巧的变焦距系统。观看远处 物体时焦距最大，观看近处物体时焦距缩短，使像成在 视网膜上。
f 是物镜的焦距
它和物镜的相对孔径
D / f 成反比，和波长成正比。
物镜
y
0
0
F1 F2
目镜
3.2
激光扩束器
采用倒置的望远镜作为扩束器。即前一透镜的焦距较 短，后一透镜的焦距较长。 一束较窄的平行光束（激光束）经扩束器后，成为截 面较大的平行光束（激光束）。
F1 F2
F1 F2
n
i
n
i
y
P
•
u
O
u
C
y
•
P
p
r
p
（2） 角度
以光轴或法线为始边，沿小于 的方向旋转， 顺时针为正，逆时针为负．
n
i
n
i
y
P
•
u
O
u
C
y
•
P
p
r
p
5. 单球面折射
n p
n p
n n r
物方焦点 像方焦点
折射球面的光焦度, 它表征系统对光线 的曲折本领.
tan( w) y 25cm y f e
像所张的视角:
tan( w)
y 25cm
y f e
tan w y 25cm
而物体直接放在明视距离处所张的视角:
y
w
25cm 显微镜的视角放大率M（放大本领）为
y 25cm M Me tan w y / 25cm y f e tan w y / f e
n n r
光焦度的单位为屈光度， 1屈光度=1米-1。
0 为会聚系统， 0 为发散系统， = 0 为无焦系统.
n
i
n
i
y
P
•
u
O
u
C
y
•
P
p
r
p
6. 高斯公式
f p
f p
1
7. 牛顿公式
xx ff
n
n
P
x
F
0
f
第一章 几何光学 复习
1. 折射定律、反射定律：n1sinθ1=n2sinθ2
n1 c v1
全反射：光纤、五棱镜、海市蜃楼等等。
2. 费马原理： 可以取极大、极小或者常量 3. 物和像： 1）实像和虚像
ndl 0
2）理想光学系统 （现实中很少有理想光学系统） 3）物方空间、物方折射率、物方焦距等等
o
po po 164 4 .1 40
M oM
是放大的倒立像
(40) 20 800
显微镜的总的放大本领
e
§3 望远镜
3.1
3.2
望远镜的放大率和分辨本领
激光扩束器
3.1
望远镜的放大率和分辨本领
开普勒望远镜物镜、目镜均为会聚系统，可以等效 为两个正透镜. 目镜Le 物镜L
2.1 2.2 显微镜的放大原理 显微镜的分辨本领
复杂的助视光学仪器都是由“物镜”和“目镜”两 组透镜组成。面向物体的一组称为物镜，接近眼睛的一 组称为目镜。
增大视角的途径： （1）常用显微镜来观察细小的东西，将物体放大，以增 大视角。 （2）用望远镜来观察远处的物体（如天体），将物体拉 近，以增大视角。
o
w
Fo Fe w y
tan w
fo
y f o
fe
tan( w)
y f e
物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合。 -y’是物镜的倒 立实像，在目镜的前焦面上。最后成倒立的虚像(无穷远)，增 大了视角。
tan w
y f o
,
tan( w)
解：显微镜的物镜成像公式
f o 4 m m ,
po f o p o f o p o
1 po 1 po 1 f o