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显微系统及其物镜的光学成像特性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。如图所示,它由物镜和目镜组成。其特点是:物镜和目镜的焦距都很短,且光学间隔△(物镜的像方焦点到目镜的物方焦点间的距离)较大。使用时,将物体 AB 置于物镜一倍焦距以外少许,经物镜后成一个放大的、倒立的实像 A'B',且位于目镜的物方焦面上或一倍焦距以内少许,经目镜成像在无限远或明视距离处,供人眼观察。在生物显微系统中,物镜框是系统的孔径光阑,设在一次实像面处的分划板是视场光阑,目镜住往是海晕光阑,其大小影响轴外点成像的渐晕系数。而对于测量用显微系统,孔径光阑没在物镜的像方焦平面上,以形成 ...
望远系统及其物镜的光学成像特性1.望远系统的工作原理望远系统是用来观测远距离物体的光学系统,由物镜和目镜组成。其特点是:物镜的焦距大于目镜的焦距,且光学间隔 Δ=0。从无限远物体 AB 发出的平行光线经望运物镜后,在物镜的像方焦平面上成一个实像 A'B',它正好位于目镜的物方焦平面上,经目镜成像在无限远处,供人眼观察。该系统中,物镜框是孔径光阑,设在一次实像面处的分划板是视场光阑,目镜往往是渐晕光阑,其大小影响轴外点成像的渐晕系数。若图像接收器不是人眼,而是光电器件(如 CCD 及 CMOS 器件等),则可将它置于实像平面 A'B' 处。望远系统的视觉放大率 Γ ...
摄影系统及其物镜的光学成像特性摄影系统的工作原理摄影系统主要由摄影镜头、可变光阑和感光底片三部分组成。摄影镜头将位于无限远或准无限远的景物成像在感光底片上,可变光阑起到调节光能量以适应外界不同照明条件的作用。其系统结构如图所示。摄影系统中,可变光阑即为系统的孔径光阑,底片框为视场光阑。为保证轴外光束的像质,可变光阑的实际位置大致设在摄影物镜的某个空气间隔中。孔径光阑的形状一般为圆形,而视场光阑的形状为圆形或矩形等。摄影物镜的光学成像特性摄影物镜的光学成像特性主要由三个参数决定,即焦距 f' 、相对孔径 D/f' 和视场角 2ω。焦距 f'物镜的焦距决定了物体在接收器上成 ...
光学元件的成像特性球面光学元件包括球面透镜和球面反射镜。球面透镜是由两个折射球面或一个折射球面和一个平面所限定的透明体;球面反射镜则只包括一个反射球面,其共同特性是能够对任意位置的物体按设计倍率成像。平面光学元件指工作面均为平面的光学零件,包括平面反射镜、平行平板、反射棱镜和折射棱镜等。其作用是改变光路方向,使倒像转换为正像,或产生用于光谱分析的色散现象。下面讨论这些光学元件的成像特性。球面光学元件的成像特性球面透镜因为球面是最易加工,最便于大量生产和检验曲面,所以球面透镜已成为大多数光学系统中的基本成像元件。按照透镜对光纤的作用可以分为两大类:对光线起会聚作用的称为会聚透镜,光焦度为正值,又 ...
光学系统中的光阑有几种不同性质的光阑。其中孔径光阑和视场光阑是任何光学系统都具有的两种主要光阑。有些系统中还有渐晕光阑和消杂光光阑。孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳限制轴上成像光束立体角的光阑,称为孔径光阑(简称,孔阑)或有效光阑。孔径光阑经由前面的光组在物空间形成的像称为入射光瞳,简称入瞳。完全决定进入系统参与成像的最大光束孔径,是物面上各点发出进入系统成像光束的公共入口。孔径光阑经由后面的光组在像空间形成的像称为出射光瞳,简称出瞳。是物面上各点发出的成像光束经过光学系统后的公共出口。合理的选择系统孔径光阑的位置可以改善轴外点的成像质量。同时,当光阑的位置改变时,光阑的口径也要随之变化,以保证轴 ...
理想光学系统的物像位置公式当理想光学系统的焦点和主点的位置一定时,已知物体的位置和大小就可以求出像的位置和大小。确定物像位置的坐标系的选取不同,表示物像位置关系的公式形式就不同。常用的形式有两种,一种是以焦点为坐标原点的物像位置公式,称为牛顿公式;另一种是以主点为坐标原点的物像位置公式,称为高斯公式。牛顿公式牛顿公式中,物和像的位置式相对于光学系统的焦点的位置来确定的。设,物体AB经光学系统后成像于A'B',有焦物距离为-x;物高y;焦像距离为x';像高y'。根据三角形相似关系,推出牛顿公式:xx'=ff'牛顿公式表示以焦点为坐标原点的物像位置公 ...
理想光学系统的基本参数焦点、焦平面与光轴上无限远点相共轭的点称为焦点。焦点有物方焦点和像方焦点之分,分别用F和F'表示。通过焦点垂直于光轴的平面称为焦平面。焦平面也分物方焦平面和像方焦平面。主点、主平面垂轴放大率(像高和物高之比)为+1的一对共轭平面,称为主平面。主平面和光轴的交点称为主点,物方主点和像方主点分别用H和H'表示。主点到焦点的距离称为焦距,焦距有正负之分,规定的光传播方向为正方向。主点指向焦点的方向为光传播方向时,焦距为正。物方焦距和像方焦距分别用f和f'表示。存在下面关系:当光学系统处于同一介质中时,即n=n’时,物方焦距和像方焦距绝对值相等,符号相反: ...
常见通讯协议的介绍RS232RS-232收、发端的数据信号是相对于信号地,如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚(信号地)的电平。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动,在发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5~+15V,负电平在-5~-15V电平。当无数据传输时,线上为TTL,从开始传送数据到结束,线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3~+12V与-3~-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右,所以其共模抑制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大为约15米,最高速率为20kb/s。RS485在使用R ...
TTL、USB和RS232接口的区别在通信和计算机科学中,Serial communication是一个通用概念,泛指所有的串行的通信协议,如RS232、USB、I2C、SPI、1-Wire、Ethernet等。这里的串行(serial),是相对并行通信(parallel communication)来说的,如下图:串口、COM口是指的物理接口形式(硬件),COM口简称是串口。而TTL、RS-232、RS-485是指的电平标准(电信号)。COM口是指针对串行通信协议的一种端口,是PC上异步串行通信口的简写,大部分为9针孔D型。COM口里分RS232,RS422和RS485,传输功能依次递增。T ...
CMOS图像传感器简介在发展前期,CMOS由于成像质量差、像元尺寸小、填充率低、响应速度慢等因素,只能用于低端场景。后来,由于技术的发展,性能参数逐步与CCD相近。在功能、功耗、尺寸和价格等方面优于CCD。开始获得更大范围的应用。CMOS成像器件的工作原理如下:主要的组成部分是像元阵列和MOS场效应管集成电路,这两部分集成在同一硅片上。像元阵列实际上是光电二极管阵列,有线阵和面阵之分。像元按X和Y方向排列,每个方向上都有一个地址,由各自方向的地址译码器选择。由于行列开关的设置,可以采用X,Y方向以移位寄存器的形式工作,实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以至输出某一行或某一列的信号,从而可以 ...
CCD的电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)结构。如下图,在栅极不施压的情况下,P型半导体中多数载流子空穴的分布是均匀的。在栅极施加小于P型半导体阈值电压Uth时,在半导体内产生耗尽区。当栅极电压继续增加,并大于阈值电压后,耗尽区的深度和栅极电压成正比。将半导体与绝缘界面上的电势记为表面电势Φs,表面电势随着栅极电压Ug的增加而增加。下图描述了二者在不存在反型层电荷时,不同氧化层厚度下表面电势和栅极电压之间的关系。从曲线中看出,氧化层厚度越薄,曲线的直线性越好。当栅极电压Ug不变时,表面电势Φs和反型层电荷密度Qinv之间的关系。下图可以看出,Φs随着Qinv的增加而线 ...
图像传感器基本技术参数一部分参数是与物镜成像相关的参数1. 成像物镜的焦距成像物镜的焦距决定了被摄景物与光电成像器件的距离,以及成像大小。在物距相同的情况下,焦距越长的物镜所成的像越大。2. 相对孔径成像物镜的相对孔径为物镜入瞳的直径和焦距之比。相对孔径的大小决定了物镜分辨率、像面照度和成像物镜的成像质量。3. 视场角成像物镜的视场角决定了能在光电图像传感器上成像的良好空间范围。要求成像物镜所成的景物图像要大于图像传感器的有效面积。这些参数之间相互制约,不可能同时提高,在实际应用中根据情况适当选择。还有另一部分与光电成像器件有关的参数1. 扫描速率不同的扫描方式有不同的扫描速率要求。单元光机扫 ...
图像解析原理要解决图像传感器如何将二维光强分布转变为一维时序信号输出的问题,先要了解图像解析方法和原理。一、光机扫描图像解析方法光机扫描的图像解析方法借助于光电传感器完成,光电传感器又包括分立的和集成的。集成的又包括线阵列和面阵列。1.单元光电传感器光机扫描方式采用光电传感器(包括独立光电传感器,热电传感器)与机械扫描装置相配合,将一幅图像分解成按行与列方式排列的点元光信息。单元光电传感器将这些点元图像转换成电信息,输出Uxy,其中x为行坐标,y为纵坐标。当单元光电传感器相对于光学图像运动时,输出的电压信号称为光学图像的解析信息,解析了光学图像。将具有机械扫描装置的单元光电传感器系统称为单元扫 ...
数字图像有单色单色图像、真彩色图像和伪彩色图像。单色(灰度)图像的每个像素的亮度用一个数值来表示,取值范围0-255,0表示黑、255表示白,其他值表示处于黑白之间的灰度。真彩色图像用红、绿、蓝三元组的二维矩阵来表示。三元组的每个数值也是在0-255之间,0表示相应的基色在该像素中没有,而255表示相应的基色在该像素中取得最大值。伪彩色图像由根据一定的准则对灰度值赋以彩色而来。人类可以辨别上千种颜色和强度但是只能辨别二十几种灰度,伪彩色图像可以方便人眼的识别。对一种颜色进行编码的方法统称为“颜色空间”或“色域”。本质上,彩色空间是坐标系统和子空间的阐述。位于系统的每种颜色都有单个点表示。采用的 ...
点云滤波,顾名思义,就是滤掉噪声。原始采集的点云数据往往包含大量散列点、孤立点,比如下图为滤波前后的点云效果对比。点云滤波的主要方法有:双边滤波、高斯滤波、条件滤波、直通滤波、随机采样一致滤波、VoxelGrid滤波等。双边滤波双边滤波是一种非线性滤波器,它可以达到保持边缘、降噪平滑的效果。和其他滤波原理一样,双边滤波也是采用加权平均的方法,用周边像素亮度值的加权平均代表某个像素的强度,所用的加权平均基于高斯分布[1]。最重要的是,双边滤波的权重不仅考虑了像素的欧氏距离(如普通的高斯低通滤波,只考虑了位置对中心像素的影响),还考虑了像素范围域中的辐射差异(例如卷积核中像素与中心像素之间相似程度 ...
在计算机中, 图像由一个个像素点组成。图像数据存储在每一个像素点中,每一个像素点包含了被测物体的信息。除了常见的RGB信息或者灰度信息以外,还可以包含深度信息和坐标等其它信息。在某个坐标系下的点的数据集又被称为点云。点云里的每一个点包含了丰富的信息,包括三维坐标X,Y,Z、颜色、分类值、强度值、时间等等。通过高精度的点云数据可以还原现实世界。大多数点云数据是由3D扫描设备产生的,例如激光雷达(2D/3D)、RGB双目、3D结构光相机、ToF相机(time-of-flight camera)等。这些设备用自动化的方式测量在物体表面的大量的点的信息,然后用某种数据文件输出点云数据。这些点云数据就是 ...
在计算机中, 图像由一个个像素点组成。图像数据存储在每一个像素点中,每一个像素点的数据可以占用不同字节长度。如果,每一个像素点用1bit的数据,那么只能有0或1两个取值,可以表示黑白两色。如果,每一个像素点占用4bit的数据,可以有0-2^4-1之间的取值范围,可以表示出更丰富的色彩。我们把计算机存储单个像素点所用到的bit为称之为图像的深度,具体是数据值称为深度值。常见的图像深度为24,也就是一个数据占用24bit,共3字节。图像的深度值按一定的规则分配之后可以表示出更丰富的信息。比如颜色,灰度等。表示颜色的方法最简单常用的是RGB。比如,一个24bit的数据,可以分为3个字节,每个字节表示 ...
CMOS成像传感器的可以以摄像头或者光束探测器的形式投入到实际的应用中。如手机摄像头,安防摄像头,条码扫描,光速质量分析仪等。目前主流的CMOS厂商有:索尼、三星、豪威、格科微、思特威、安森美等公司。影响CMOS成像传感器性能的主要问题有:噪声,暗电流,饱和溢出模糊。1、噪声:噪声是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN(Fixed pattern noise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声(FPN)产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计 ...
CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器,通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路,如AD转换器、自动曝光量控制、白平衡处理等。为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起。在这个意义上,CMOS已经不仅仅是一个图像传感器,更可以被认为是一个图像处理系统。随着CMOS图像传感器的发展,出现很多细分种类。主要有三大类CMOS图像传感器,即CMOS无源像素 ...
CCD使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。目前主要有两种类型的CCD光敏元件,分别是线性CCD和矩阵性CCD。线性CCD用于高分辨率的静态照相机,它每次只拍摄图象的一条线,这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高,速度 ...
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