文章目錄

• 前言
• 圖像的形成
• • 凸透鏡成像
  • 目鏡 + 物鏡
  • 對焦
  • 齊焦
  • 像差
  • 成像傳感器
• 圖像形成的參數
• • 曝光時間
  • 白平衡
  • 伽馬修正

前言

? 公司項目最近開始從圖像處理(軟件部分)往前端移，也就是琢磨顯微鏡的成像，也就是圖像的生成(硬件部分)。所以自己也慢慢的把自己在圖像處理的知識體系往前移，去了解數字圖像的生成，是為了更好的去理解數字圖像的處理過程。

圖像的形成

凸透鏡成像

? 顯微鏡的基本光學系統(目鏡+物鏡)都是由凸透鏡組成的，從網上搬了一個凸透鏡成像的基本原理圖過來。

• 當物距大于2倍焦距時，則像距在1倍焦距和2倍焦距之間，成倒立、縮小的實像。此時像距小于物距，像比物小，物像異側。

• 當物距等于2倍焦距時，則像距也在2倍焦距， 成倒立、等大的實像。此時物距等于像距，像與物大小相等，物像異側。

• 當物距小于2倍焦距、大于1倍焦距時，則像距大于2倍焦距， 成倒立、放大的實像。此時像距大于物距，像比物大，像位于物的異側

• 當物距等于1倍焦距時，則不成像，成平行光射出

• 當物距小于1倍焦距時，則成正立、放大的虛像。此時像距大于物距，像比物大，物像同側。這里正好可以提到虛像的概念。如上面幾個圖所示的，實像是由真實的光線匯聚形成的像，被人眼看到就是實像。

  而像下面這個圖，人眼看到的是光線實際上是沒有匯聚的，但是人眼會認為光線是直線傳播的，所以會在光線的反向延長線上形成一個匯聚點，從而可以看到像，這樣就叫做虛像，放大鏡就是這個原理。

  說到這個實像和虛像的時候，網上提到的是虛像是無法被光屏承接的。我是這么理解這句話的：

觀測到的虛像和物體在同一側，但是如果在紅色框所在位置放一個CCD，是無法形成這個虛像的，因為沒有實際光線使CCD感光。但是如果在黃色框位置放上一個CCD，那么有實際光線進入，是可以形成一個放大的像的。

簡單的例子就是用放大鏡去看，能看到一個放大的虛像，在物體那一側實際上無法拍攝到，但是如果在人眼這一側用相機是可以拍到這個像的。

• 成像規律

目鏡 + 物鏡

? 上面提到了放大鏡，放大鏡是通過一個凸透鏡進行放大，而顯微鏡包含了兩個凸透鏡：物鏡和目鏡。兩個透組合放大，一般來說，物體在物鏡的一倍和兩倍焦距之間，在另一側形成一個放大倒立的實像，然后這個像在目鏡的一倍焦距之下，形成一個放大的虛像，可以在目鏡的另一側來觀看或者成像。

? 在光學系統中，有一個“無限遠光學系統”的概念，這里也找到一張圖：

? 相當于在物鏡后面又加了一個凸透鏡，讓物體位于物鏡的1倍焦距處，形成一個平行光線，然后再通過這個凸透鏡來成像。我理解這個無限遠的意思是物鏡和這個凸透鏡之間是可以有無限遠的，因為反正是平行光線，就可以在這個中間加上一堆其他的光學元器件，做一些其他的作用。在上圖的有限遠系統中，這個距離就是固定的，加入任何的器件都可能影響成像。

? 現在我接觸的一些顯微鏡系統基本上都是無限遠的(醫院系統)。

對焦

? 之前一直在想對焦到底是在對什么，了解上面的基本知識之后，在顯微鏡系統中，調整Z軸的高低，實際上是移動載物平臺(物體)的與物鏡之間的距離，我理解就是要把物體剛好放在物鏡的一倍焦距處，這樣才能形成平行光線，順利成像；否則就會導致成像模糊。

齊焦

? 在顯微鏡系統中，一般都有多個物鏡，每個物鏡的放大倍數都不一樣，會通過一個轉換轉盤來進行切換。齊焦的意思就是對顯微鏡設備提出要求，轉換物鏡之后，對物體不需要重新對焦。

? 我覺得應該就是通過調整那個物鏡的長度來保證齊焦，也就是說將不同倍數的物鏡長度設定好，轉過來就恰好保證物體在這個物鏡凸透鏡的一倍焦距上。上面提到的無限遠系統就正好允許方便的調整物鏡鏡筒的長度。

? 當然這個是有允許的誤差的。

像差

? 真實環境中，經過凸透鏡的光并不會像理論中描述的一樣，所有的光線都聚集在一點，類似下面的圖。

? 根據這個光線散的情況不一樣，像差又分為很多種，就不展開了解了。現在光學系統都會引入消除像差的技術，但是無法全部消除，就會增加一堆光學器件進去進行校正，盡量讓所有的光線都聚焦到一個點上，所以現在的物鏡都好大一坨。

成像傳感器

? 上面的都是光學的基本概念，經過一系列光路后，光線最終到了相機的傳感器上，就是這些傳感器將光信號轉換成電信號，最終形成圖像。

? 從網上找了一段文字，我覺得講的挺明白的，挪過來用一下。

? CCD與CMOS傳感器是當前被普遍采?的兩種圖像傳感器，兩者都是利?感光?極管(photodiode)進?光電轉換，將圖像轉換為數字數據，?其主要差異是數字數據傳送的?式不同。

? CCD傳感器中每??中每?個象素的電荷數據都會依次傳送到下?個象素中，由最底端部分輸出，再經由傳感器邊緣的放?器進?放?輸出；?在CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接?個放?器及A/D轉換電路，?類似內存電路的?式將數據輸出。

造成這種差異的原因在于：CCD的特殊?藝可保證數據在傳送時不會失真，因此各個象素的數據可匯聚?邊緣再進?放?處理；?CMOS?藝的數據在傳送距離較長時會產?噪聲，因此，必須先放?，再整合各個象素的數據。

由于數據傳送?式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應?上也有諸多差異，這些差異包括：

1. 靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與?個感光?極管構成(含放?器與A/D轉換電路)，使得每個象素的感光區域遠?于象素本?的表?積，因此在象素尺?相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。

2. 成本差異：由于CMOS傳感器采??般半導體電路最常?的CMOS?藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯?中，因此可以節省外圍芯?的成本；除此之外，由于CCD采?電荷傳遞的?式傳送數據，只要其中有?個象素不能運?，就會導致?整排的數據不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率?CMOS傳感器困難許多，即使有經驗的?商也很難在產品問世的半年內突破 50%的?平，因此，CCD傳感器的成本會?于CMOS傳感器。

3. 分辨率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個象素都?CCD傳感器復雜，其象素尺?很難達到CCD傳感器的?平，因此，當我們?較相同尺?的CCD與CMOS傳感器時，CCD傳感器的分辨率通常會優于CMOS傳感器的?平。

? 經過傳感器的光電轉換后，數字圖像就形成了。

圖像形成的參數

? 前面一章是光學+傳感器部分，簡單來說就是收集光線并做光線轉換。在最終形成圖像之前，起始還有一部分的軟件調整，也就是對上面的傳感器數據進行一些數據處理，再形成最終的圖像。

曝光時間

? 相機曝光時間是指從快門打開到關閉的時間間隔，在這一段時間內，物體可以在底片上留下影像。在數字化設備中，都沒有傳統相機的那個按鈕了，從CCD的角度來看，就是相當于把曝光時間的這個一個時間段中采集到的光一起轉換成電信號，最終來形成數字圖像。

白平衡

? 白平衡的英文為White Balance，其基本概念是“不管在任何光源下，都能將白色物體還原為白色”，對在特定光源下拍攝時出現的偏色現象，通過加強對應的補色來進行補償。

? 對上面這句話的理解可以想象一下一張白紙，在大晴天下看是白色的，但是如果是在黃色燈光下看，肯定出來的顏色就是偏黃色，如果環境燈光是紅色，那么就是偏紅色。相機的白平衡設置就是讓用戶可以選擇當前的環境光是啥顏色，然后相機根據這個顏色值去計算補償值，最終拍出來的東西還是你想要的白色(還原，如果是特意的，比如拍日落啥的，就另說)。這就是白平衡的意義。

? 那么怎么選擇顏色呢？在白平衡的調整部分，選擇光的顏色是按照色溫來選的。

? 色溫：如果某一光源發出的光，與某一溫度下黑體發出的光所含的光譜成分相同，即稱為某K色溫。如100 W燈泡發出光的顏色，與絕對黑體在2527℃時的顏色相同，那么這只燈泡發出的光的色溫就是：（2527+ 273）K =2800K 。

? 色溫圖譜：

? 冷色調的色溫要高，紅色的波長是最長的，也就是能量低，和溫度低符合。溫度高的情況下產生的能量大，波長短頻率高，所以就往藍色方向偏。

? 選擇了某一個色溫，就是告訴相機，當前的光線使這個色溫的，需要根據這個去進行補償。

? 另外，在普通的拍攝相機中，可能會根據場景來選：

伽馬修正

? 伽馬變換主要用于圖像的校正，將灰度過高或者灰度過低的圖片進行修正，增強對比度。變換公式就是對原圖像上每一個像素值做乘積運算（r，s分別代表輸入和輸出灰度）：
$$s=c{r}^{\gamma },r\in [0,1]$$

從伽馬曲線可以直觀理解：

• gamma值小于1時，會拉伸圖像中灰度級較低的區域，同時會壓縮灰度級較高的部分。

• gamma值大于1時，會拉伸圖像中灰度級較高的區域，同時會壓縮灰度級較低的部分。

• 如果$\gamma =1$，輸入和輸出為線性關系。

? 伽馬是相機的一個參數，如果是光線暗的環境下，可以把伽馬值調小一點；如果是非常刺眼的環境下，可以把伽馬值調大一點。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的数字图像来源：光学成像系统的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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