[物理]光学成像系统分析
数码摄影物理实验报告(3篇)
第1篇
一、实验目的
1. 理解数码摄影的基本原理，包括光学成像、图像传感与处理等。
2. 掌握数码相机的操作方法，包括取景、构图、曝光等。
3. 通过实验，了解不同拍摄条件下图像质量的变化。
4. 学习使用数码相机进行物理实验记录和数据分析。
二、实验原理
数码摄影是一种利用光学成像原理和图像传感技术将物体图像转化为数字信号的过程。主要原理包括：
1. 光学成像：通过镜头将物体图像投射到图像传感器上。
2. 图像传感：图像传感器将光信号转化为电信号。
3. 图像处理：对电信号进行数字化处理，形成数字图像。
三、实验仪器与设备
1. 数码相机：具备光学变焦、手动曝光等功能的数码相机。
2. 三脚架：用于稳定相机拍摄。
3. 实验器材：如标准光源、物体、量具等。
四、实验内容
1. 数码相机的基本操作：
- 打开相机，介绍各部分功能。
- 安装电池、存储卡，进行简单拍摄操作。
- 分组讨论比较，加深对相机各部分工作原理的理解。
2. 数码相机的取景与构图：
- 掌握常用的构图形式，如三分法、对称构图等。
- 利用实际场景进行拍摄，观察不同构图对图像效果的影响。 3. 数码相机的曝光控制：
- 学习光圈、快门速度、ISO等曝光参数对图像的影响。
- 通过调整曝光参数，拍摄不同场景的图像，观察图像质量的变化。
4. 数码相机的物理实验应用：
- 利用数码相机记录物理实验现象，如自由落体运动、光的折射等。
- 对实验数据进行图像处理和分析，得出实验结论。
五、实验步骤
1. 数码相机的基本操作：
- 打开相机，了解各部分功能。
- 安装电池、存储卡，进行简单拍摄操作。
- 分组讨论比较，加深对相机各部分工作原理的理解。
2. 数码相机的取景与构图：
- 在实际场景中拍摄，尝试不同的构图形式。
- 分析不同构图对图像效果的影响。
大学物理光学实验
实验一 薄透镜焦距的测定
实验目的
１．学会调节光学系统使之共轴。
２．掌握测量薄会聚透镜和发散透镜焦距的方法。
３．验证透镜成像公式，并从感性上了解透镜成像公式的近似性。
实验仪器
1－CXJ型光具座，底座及支架，薄凸透镜，薄凹透镜，平面镜，物屏（可调狭逢组、有透光箭头的铁皮屏或一字针组），像屏（白色，有散射光的作用）。
重点难点：
1、按实验操作规程规范操作。
2、动手操作能力培养。
德育渗透：
1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。
2、培养学生互相帮助，团结协作的精神
教学方法
1、讲授法。2、演示法。3、学生分组实验法
布置作业：
1、数据处理。2、误差分析3、独立完成实验报告。4、预习下一个实验
实验原理
１．共轭法测量凸透镜焦距
利用凸透镜物、像共轭对称成像的性质测量凸透镜焦距的方法，叫共轭法。 所谓“物象共轭对称”是指物与像的位置可以互移，如图5－1—1（a）所示。其中（a）图中处于物点0s的物体Q经凸透镜L在像点p处成像P，这时物距为u，像距为v。若把物点0s移到图5－1—1（a）中p的点，那么该物体经同一凸透镜L成像于原来的物点，即像点p将移到图5－1—1（a）中的0s点。于是，图5－1—１（b）中的物距'u和像距'v分别是图5－1—1（a）中的像距v0sLOQuvPp'F）（——图a115)(1b－１—图５LpPQ0Souv'vu'和物距u，即物距vu'，像距uv'。这就是“物像共轭对称”。设Dvuvu''（物屏Q和像屏P之间的距离为D）。
根据上面的共扼法，如果物与像的位置不调换，那么，物放在0S处，凸透镜L放在1X处，所成一倒立放大实像在p处；将物不动，凸透镜放在2X处，所成倒立缩小的实像也在p处，如图5－1－2所示。由图可知，duu'或duv。于是可得方程组
解方程组得
,2dDv 2dDu DdDf4'22 （5—１—１）
初中物理光学知识典型例题解析
初中物理光学知识典型例题解析
1.用照相机照相时，在拍摄进景和远景时，有什么区别?
答:物距均大于二倍焦距(因为照相机常常要得到缩小的实像)，像距均在一倍焦距和二倍焦距之间。由于凸透镜成实像时,物距越远则像距越近,物距越近则像距越小,所以拍摄近景时，物距小，像距较大，成的像也较大，照相机的镜头要往前伸;拍摄远景时，物距大，像距较小，成的像也较小,照相机的镜头要往后缩.
2。凸透镜及其成像规律
凸透镜（convex lens）
凸透镜是根据光的折射原理制成的。凸透镜是中央部分较厚的透镜。凸透镜分为双凸、平凸和凹凸（或正弯月形）等形式，薄凸透镜有会聚作用故又称聚光透镜，较厚的凸透镜则有望远、会聚等作用，这与透镜的厚度有关。
将平行光线（如阳光）平行于轴（凸透镜两个球面的球心的连线称为此透镜的主光轴）射入凸透镜，光在透镜的两面经过两次折射后，集中在轴上的一点，此点叫做凸透镜的焦点（记号为F，英文为：focus），凸透镜在镜的两侧各有一焦点，如为薄透镜时，此两焦点至透镜中心的距离大致相等。凸透镜之焦距是指焦点到透镜中心的距离，通常以f表示。凸透镜球面半径越小，焦距（符号为：f，英文为：focal length）越短。凸透镜可用于放大镜、老花眼及远视的人戴的眼镜、摄影机、电影放映机、显微镜、望远镜的透镜（lens）等。
实验研究凸透镜的成像规律是：当物距在一倍焦距以内时，得到正立、放大的虚像；在一倍焦距到二倍焦距之间时得到倒立、放大的实像；在二倍焦距以外时，得到倒立、缩小的实像。
该实验就是为了研究证实这个规律。实验中，有下面这个表：
物 距 范围 成像性质 像距范围
u>2f 倒立、缩小、实像、 异侧 f
u=2f 倒立、等大 、实像、异侧 v=2f
f2f
u=f 不成像
u
这就是为了证实那个规律而设计的表格。其实，透镜成像满足透镜成像公式：
1/u+1/v=1/f
光电成像检测系统像面照度均匀性分析
光电成像检测系统像面照度均匀性分析
赵霞;刘宾
【摘 要】非均匀发光光源、大视场角等因素会造成光学成像检测系统像面照度分布不均匀,进而导致检测效率下降.研究非均匀发光光源和大视场角对像面照度均匀性的影响程度,首先建立光源间距与受光面接收照度间的关系模型,仿真分析不同LED间距对像面照度均匀性的影响,然后建立光学耦合系统的物面张角和像面照度间的关系模型,仿真分析物面张角对像面照度均匀性的影响.实验结果表明:在非均匀发光光源和大视场角的作用下,检测系统会造成像面照度严重不均匀现象.研究结果为后续像面照度校正算法设计提供了理论依据.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2014(035)002
【总页数】5页(P260-264)
【关键词】光学成像;检测;像面光照度;均匀性
【作 者】赵霞;刘宾
【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051
【正文语种】中 文
【中图分类】TP394.1;TH691.9
引言 光学成像检测技术从20世纪70年代初美国JPL实验室研发的第一套数字图像处理系统开始，已经作为一种高效快速的非接触测量手段应用于工业生产的多个方面，如零部件外形、尺寸检查、零件装配、过程监控等方面。光学成像系统是实现光学成像检测的主要设备。采用光学成像系统实现目标检测的过程通常是，采用光源对被检测对象进行一定方式的照射，携带被检对象信息的光强度分布信息通过光耦合器件将光信息耦合到光电成像器件的像面，成像器件将光信号转换成电信号，图像处理单元将信号进行抽样、量化、编码过程转换为数字图像，并进行后续处理、实现目标的检测和识别。在此过程中，经常要面临的一个问题是像面照度不均匀。像面照度不均匀直接导致数字图像质量下降以及基于该图像的目标识别变得困难[1-2]。
鉴于此，本文以典型光学成像系统为研究对象，详细分析造成像面照度不均匀现象的原因及影响程度，为后续的校正算法研究提供理论支撑。
水的光学特性及其对水下成像分析
水的光学特性及其对水下成像分析
水下光学成像技术是当前探索水下奥秘的基本方法之一，在 生物学、地质学、港口工程等多个领域内有重要的意义，但由于 水本身的性质，其作为介质时的光学性质与空气有所不同，光线 在水下传播时水体对光线的吸收和后向散射会造成很大的图像 噪声，降低图像质量，加之传输距离有限，一般的成像系统在水 屮使用时像差会发生变化，色差和畸变明显增大，成像质量差, 图像清晰度低，因此有必要对水的光学特性及其对水下光学成像 质量的影响进行研究，以为适用于水下环境的特殊成像系统的研 制提供理论基础。
一、水的光学特性
光在水介质和空气介质屮的传输有着较大的差异，介质的密 度对光的吸收和散射有着很大的影响，空气的密度小因而对光的 吸收和散射也相对较小，水的密度为空气的800多倍，对可见光 有着严重的吸收和散射作用。水对光波的散射和吸收可造成光在 水屮的衰减，即使是在最纯净的水中，水对光也有着严重的衰减, 且是按指数规律迅速衰减，水介质对光的衰减特性通常是使用衰 减长度表示。
（一） 水对光的选择吸收特性
水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的，具有明显的选择 性。水对光谱屮的紫外和红外部分表现出强烈的吸收，在可见光 谱区段，吸收最大的分别是红色、黄色和淡绿光谱区域。纯净水 和清的大洋水在光谱的蓝■绿区域透射比量大，其屮波长为462・ 475nm的蓝光衰减最少。但在这个蓝■绿窗口，水的吸收也足以 使光的强度每米衰减约百分之四。其它颜色的光被吸收得更多, 几米之外几乎完全消失了。
（二） 水对光的散射特性
如果水下仅存在对光能量的吸收，可以通过加大照明光源功 率来提高水下成像距离，但水对光的散射现彖随着照明的增强更 趋严重，使水下成像更为困难。水屮光散射是指光在水屮传播时， 受到介质微粒的作用，偏离原来直线传播的方向。水屮散射有两 种，即纯水本身产生的散射和由悬浮粒子所引起的散射。散射方 式主要有前向散射和后向散射。比入射光波长小很多的无吸收粒 子的散射遵从瑞利定律，散射粒子的大小接近于入射光的波长时, 存在着一个比较复杂的共振状态，称为米氏散射。
光学元件加工技术（ＰＤＦ）
第一章 光学理论分析
光学系统是由透镜组合而成，本章主要叙述光的基本原理，透镜的几何光学成像理论，以及像差的
问题，当中并以光学厂实际生产的镜头为例子，辅以印证理论。 1-1 基本原理
光是自然界的产物，以下就光的特性以及物理量加以说明。
1-1.1 可见光
可见光是电磁波谱之一部份，人的眼睛可视为是电磁波接收器，工作于此波段并依此定义出可见光。
在光学中常用奈米(nanometer；1nm=1×10-9m)为波长单位，图 1-1显示可见光中心区域波长约
为 550nm，颜色为黄绿色。视力灵敏曲线在长波长及短波长处渐趋近于轴。一般定视力灵敏度降至
其最大值的1%处为极限，两极限的波长值分别约为 430nm 和 690nm。在此限度外之辐射若强度够
的话，眼睛仍能探测到；若强度弱时，在许多物理实验中可用照相底片或感光灵敏之电子探测器代
替人眼。
因光同时具有波和粒子的特性，一般物理现象的解释则采用适性策略：对于光的行进以电磁波
解释，对于光的吸收与辐射，则以粒子特性来处理。
一般基础光学依光的性质和实验结果分为三类：
1. 几何光学：将光视为粒子处理，但考虑的是整体特性表现，亦即对光的描述是用光线（ray）
的集合－光束（light beam），以及物点、像点等概念。
2. 量子光学：将光视为粒子处理，但探讨的是各别粒子本质。
3. 波动光学：将光视为电磁波处理，本领域又称物理光学。
本论文研究的对象是精密光学组件，因此以几何光学为应用基础。
1-1.1 光源和光速
物体本身能发光的，如太阳、火焰、电灯、雷射称为光源（luminous source）。藉由光源照射物
体而反射光线，方能使我们感觉物体的存在。光线可看做是由许多光子（photon）所组成，至
于光束则是由许多光线汇集而成的光束线。
光在真空中，具有最大的速度，用符号 c 代表光在真空中的速度，是自然界的常数：
c=299,792.5km/s≒30 万公里/秒。 1-1.2 光度与照度
初中物理竞赛教程 光学中的成像问题
用心 爱心 专心 - 1 - 物理竞赛教程浅谈光学中的成像问题
光在同一种均匀介质中传播时遵循光的直线传播规律,若从一种介质进入另一种介质,在其介面上要同时发生反射与折射现象,其光线分别遵循光的反射定律与光的折射定律,这就是几何光学的三大传播规律.在高中物理竞赛辅导的过程中,经常会遇到有关物体成像问题.光学中的成像问题可归结为两类：一类是反射成像,也就是反射光直接相交成像（实像）,或反射光延长线相交成像（虚像 ）；另一类是折射成像,也就是折射光直接相交成像（实像）,或折射光延长线相交成像（虚像 ）. 现将光学竞赛中涉及的成像问题作一归类分析.
一、 反射镜与反射成像
反射镜遵循光的反射定律,如果反射面是平的我们就称是平面镜,如果反射面是球面的一部分,这种镜叫球面镜.反射面如果是凹面的叫凹面镜,简称凹镜；反射面是凸面的叫凸面镜,简称凸镜.它们有共同的成像规律：
成像公式：fvu111=R2（R为球面镜的曲率半径）
像的长度放大率：uvfufABBAm11
这些公式只适用于近轴光线成像.u、v的符号法则与透镜类似,即实物u为正值,虚物u为负值；实像v为正值,虚像v为负值；凹镜的焦距f>0,凸镜的焦距f<0.而对于平面镜可看作是球面镜的一个特例,即曲率半径R=∞.这样,我们可得到平面镜成像的简单公式：1,muv
二、 折射镜与折射成像
棱镜与透镜的成像规律遵循光的折射定律,属于折射镜.这里只谈薄透镜成像的规律.薄透镜是一种理想化的物理模型,它们两表面的曲率中心之间的距离大于它两个顶点之间的距离.对近轴光线,其成像规律与球面镜相似.
成像公式：fvu111 其中透镜的焦距)11)(1(121rrnf
(1r 、2r是二球面的半径,n是透镜的折射率)
像的长度放大率：uvfufABBAm11
u、v的符号法则：实物u为正值,虚物u为负值；实像v为正值,虚像v为负值；凸透镜的焦距f>0,凹透镜的焦距f<0.
[初中物理]照相机成像原理
照相机成像原理
自动对焦原理分析： 术语： 焦点：凸透镜轴心以外无论什么方向来的光线，在通过凸透镜后，都会被折射，并交汇于一点，而光线的交会点称为焦点 焦平面：通常将能够清晰成像位置上所有点组成的平面叫做焦平面。 对焦：调整镜头与感光元件之间的距离使被摄物能清晰成像的过程我们称之为对焦。有些相机的对焦是通过镜片位置的变化实现。 自动对焦技术（Auto Focus：当相机对准被摄物体后，相机的聚焦系统就会自动测量其距离，并通过内部智能芯片处理，带动电动对焦装置进行对焦 超焦距：对于人眼来说“清晰”并不是一种绝对的概念，对焦点前后一定距离内的景物的成像都可以认为是清晰的，因此，人们称对焦点前后的能清晰成像的距离为超焦距
一款照相机/拍照手机在拍摄功能方面的改进包括像素指标以及一些特殊功能，比如
Auto Focus自动对焦功能。这些功能的原理？
我们先来认识相机对焦的过程。在描述相机镜头结构时我们经常用到多少枚多少组镜片
的表述方式，但无论镜头结构多么复杂，实际上都可以被视为一片凸透镜。基本的光学原理
告诉我们，凸透镜轴心以外无论什么方向来的光线，在通过凸透镜后，都会被折射，并交汇
于一点，而光线的交会点称为焦点，通常将能够清晰成像位置上所有点组成的平面叫做焦平
面。处在焦平面的物体，相机都能清晰的拍摄下来，而离焦平面前后越远的景物，成像就越模糊。
图为：拍照原理图
然而在实际拍摄的时候，被摄物体与相机之间的相对距离，总是会发生变化的。为了使
不同距离的被摄物体能够在焦平面上清晰成像，我们必须随时调整镜头与感光元件之间的距
离。而调整镜头与感光元件之间的距离使被摄物能清晰成像的过程我们称之为对焦。一般来说，在数码相机或手机里的感光元件（CCD或COMS）的位置是固定的，因此对焦实际上就是通过镜片位置的变化实现的。
而自动对焦技术（Auto Focus，简称AF）就是当相机对准被摄物体后，相机的聚焦系
浅析光学系统理想成像的条件
工业科技 ２０１０年（第３９卷）第３期
浅析光学系统理想成像的条件
张吉旭
（兰州铁路技师学院，甘肃兰州７３００３０）
摘要：本论述从波动光学说起，利用从条件 —＋０引出的光线的概念，应用费马原理讨论了物象共轭的介质折射面应具有 的形状；以球面折射成像为核心，讨论了光学系统理想成像的两个条件：近轴光束条件和近轴物点条件。 关键词：光学系统；成像；条件
１几何光学的基本定律
光在传播过程中遇到障碍物时要发生衍射。但当
光波的波长与障碍物线度相比很小，即 时，光的
波动性的典型特征——干涉、衍射效应将自动消失。这
时可以忽略光的衍射现象，近似地按几何光学原理来
研究光的传播问题，波动光学过渡到几何光学。
在这种极限条降下，我们可以引入光线的概念，即
用代表光的传播方向的几何线来描述光。即几何光线
的条件是 —加。
借助光线这个概念可以描述几何光学的全部定
律，它们是：光的直线传播定律、光的独立传播定律、光
的反射定律及折射定律、光路的可逆性原理。这些几何
光学定律可以概括为费马原理。
费马原理：光沿着光程为极值的路程传播。可表述
为：
●砑 ８ｌ＝６ Ｉ ｎｄｓ＝０ Ｊ
２光学系统理想成像标准
有了光线的概念及几何光学的基本定律，我们就
可以用几何学的方法来研究光的传播以及成像问题。
如果从物点发出的所有光线经光学系统以后都交于同
一点，则称此点是物点的完善像。如果物点在垂轴平面
上移动时，其完善像点也在垂轴平面上作线性移动，则
此光学系统成像是理想的。
光学系统的理想成像要求达到以下几个标准：物
方同心光束和像方同心光束一一对应，即物点和像点
一一对应。物和像保持形状相似。物和像的对应部分应
有相同的颜色。
要达到理想成像标准，物象共轭的介质折射面应 具有特殊的形状。
见图１所示，设想由点光源Ｓ发出球面波，到达两
４４ 个透明介质的界面上，在第二介质中行进的波汇聚到
一点Ｓ （ｓ之像）。
Ｓ
图１物象共轭的介质折射面
相干成像和非相干成像的比较
1/2
相干成像和非相干成像的比较
1.成像系统的一般分析方法
1.1普遍模型
由几个共轴透镜构成的系统，一般光学成像系统看作是由入射光瞳、出射光瞳边端的黑箱 。
1.2衍射受限成像系统
（1）黑箱边端性质是将投射到入瞳上的发散球面波变换成出射光瞳上的会聚球面波 。
（2）衍射效应发生物入瞳，出瞳像的传播中衍射效应由入瞳孔径有限引起，或来自于出曈。
（3）成像系统没有几何像差（理想成像系统）
1.3求系统的脉冲响应函数
概念：成像系统的作用是将由任何一个物点（x0，y0）发出的发散球面波变换成以理想像点（xi=Mx0, yi=My0 ）为中心的会聚球面波。
由于出曈对会聚球面波的限制作用，将在像面上得到以理想像点为中心的出曈的夫朗和费衍射图。因此，物点通过系统后在像面上的复振幅分布是以理想像点为中心的夫朗和费衍射图。 dxdyyMyyxMxxdjyxpkyxyxhiiiii]})()[(2exp{),(),,,(00002/2
结论：表征衍射受限成像系统的脉冲响应函数是出射光瞳的Fourier变换。
2.衍射受限相干系统的频率响应－CTF
2.1 CTF 的定义
复振幅脉冲响应的傅里叶变换定义为相干传递函数
表征了衍射受限相干成像系统在频域中的作用它决定于系统本身的物理结构 。
2.2相干成像系统
由复振幅脉冲响应h是以理想像点为中心的出射光瞳的FT
),(),(),(),(),(~~~)~,~()~,~(~),(])(2exp[),(~),(000000yxgyxyxiiigiigiiiiiiiiyixiiyxffGffHffGyxUyxhydxdyxUyyxxhyxUdydxyfxfjyxhffH),(yxffH)~,~()}}~,~({{)},(~{),(ydxdpydxdpyxhffHiiiiiiyxFFF的物理意义)~,~(),(ydxdpffHiiyx