光学成像

一种利用光波成像的方式

光学成像

光学成像（optical imaging）是指通过一定的光学成像系统，将被观察对象转化为可目视观察的图像。光学成像按照成像原理可分为几何光学成像（如透镜成像、近场扫描成像）和物理光学成像（如衍射成像、综合孔径成像），常见的成像类型有平面镜成像、凸透镜成像等。[2][3][4]光学成像的历史可分为古典光学成像、衍射光学成像、近场光学成像三个阶段。[5]其中，古典光学成像是基于几何光学的成像方式，属直接成像；而最早对古典光学成像的记载则是可追溯至春秋战国时代的《墨经》一书[6][7]；然后，17世纪后半叶，随着牛顿和惠更斯等对光的性质有了新发现，且探究出了光的本质[8][9][10][11]使古典光学成像理论趋于完善，并由此逐步诞生了显微镜、望远镜、照相机等各种光学仪器。[12]20世纪60年代初，激光器的发明以及激光的发现，使光学成像正式进入衍射成像阶段，[13][14]该阶段的主要成就有丹尼斯·加伯提出的全息成像术，利思、厄帕特尼克斯提出的离轴全息图等，并由此提高了成像的质量。[13]1928年，申奇提出近场显微镜的构想，开始了近场光学成像的研究，[15]随后，D.W.Pohl等人的研究使近场光学成像得到进一步的发展和完善。[15]

光学成像（optical imaging）是指通过一定的光学成像系统，将被观察对象转化为可目视观察的图像。光学成像按照成像原理可分为几何光学成像（如透镜成像、近场扫描成像）和物理光学成像（如衍射成像、综合孔径成像），常见的成像类型有平面镜成像、凸透镜成像等。[3][4][5]

光学成像的历史可分为古典光学成像、衍射光学成像、近场光学成像三个阶段。[6]其中，古典光学成像是基于几何光学的成像方式，属直接成像；而最早对古典光学成像的记载则是可追溯至春秋战国时代的《墨经》一书[7][8]；然后，17世纪后半叶，随着牛顿和惠更斯等对光的性质有了新发现，且探究出了光的本质[9][10][11][12]使古典光学成像理论趋于完善，并由此逐步诞生了显微镜、望远镜、照相机等各种光学仪器。[13]20世纪60年代初，激光器的发明以及激光的发现，使光学成像正式进入衍射成像阶段，[14][15]该阶段的主要成就有丹尼斯·加伯提出的全息成像术，利思、厄帕特尼克斯提出的离轴全息图等，并由此提高了成像的质量。[14]1928年，申奇提出近场显微镜的构想，开始了近场光学成像的研究，[16]随后，D.W.Pohl等人的研究使近场光学成像得到进一步的发展和完善。[16]

光学成像是人类观察世界、拓展光电信息感知能力的重要途径，[17][18]并在信息工业、生命科学、保健医疗、工业制造、国防，甚至环保等多领域均有应用。[19][20][21]例如，在生命科学和医学领域，光学探针成像被用于及时高效地检测动脉粥样硬化。[22]在国防领域，光学成像系统可以安装在巡航导弹中，将拍摄图像与预定目标图像对比，从而指导导弹巡航路线。[19]

简史

光学成像有悠久的历史。他的发展大致可以分为三个阶段：古典光学成像（直接成像）、衍射光学成像（间接成像）、近场光学成像（扫描成像）。[6]

古典光学成像

早在春秋战国时代，墨翟（公元前490-405）及弟子所著的《墨经》中，已经有了对于光学成像相关内容的注解。他进行了小孔成像实验，观察到了物体通过小孔形成倒像的现象；他还提出了初步几何光学的概念，观察了像的大小与物体尺寸、以及物体与光源距离之间的关系。从年代上说，墨子对光学成像的研究，比欧美学者所认为最早的光学书籍——《光学》还要早。[7]

公元前300年左右，欧洲也有了对光学的研究记录，欧几里得（Euclid，公元前330—275年）编写了《光学》，研究了透视问题，罗列了光的入射角等于反射角等光的几何性质。[23][24]

9世纪，沈括在《梦溪笔谈》中对凸面镜、凹面镜的成像以及凹面镜焦点做了详细记录，他的记录与现在人们对于投射成像的理解基本一致。[25]

公元1015年，伊拉克物理学家海什木（Ibn Al-Haytham）用实验证明光线进入眼睛能产生影像，发明了暗箱说明光线的物理性质，打开了欧洲人认识“光”和“像”的窗口，系统地描述了当时人们对“光”和“像”的认识。虽然通过对光影现象进行观察和规律总结，他们解释了大多数光与像的基本性质，但仍旧没有研究出光的本质，无法解释光的折射现象。[26]

公元1100年，阿拉伯人阿尔·海兹恩（Al-hazen）发明了现在成像所用的透镜，[27]他撰写了《光学》一书，提出了著名的“阿勒·哈增问题”，讨论了眼睛的光学结构、视觉和光的反射等内容，并在入射角等于反射角的研究智商，提出了入射角和反射角应该处于同一平面，从而完善了反射定律。[28]

阿尔·海兹恩
阿尔·海兹恩

1608年，荷兰米德尔堡的眼镜商汉斯·利泊希无意中发现将凸透镜置于前端、凹透镜置于后端，只需要调整透镜之间的距离，便可看清距离不同的物体，这是世界上第一台望远镜。[29]1609年，在利泊希的基础上，伽利略·伽利雷（Galileo Galilei, 1564年2月15日-1642年1月8日）利用数学计算，对镜片的类型、组合方式进行了反复研制和试验，最终发明了世界上第一架能放大32倍的望远镜，这也是世界上第一台运用于科学领域的实用望远镜，同时，它的诞生让人们的视角投向了宇宙星空。[29]

伽利略使用望远镜
伽利略使用望远镜

而对于显微镜的研究，主要分为单式显微镜和复式显微镜。1625年，斯泰卢蒂（Francesco Stelluti）利用5倍和10倍的放大镜（单式显微镜）观察到了蜜蜂身体各部分，并写入文章出版，这是世界上有关显微镜研究的第一部著作。[30]由于初期复式显微镜的缺陷，荷兰的列文虎克（Antoy Van Leeuwenhoek, 1632-1723)将主要目标投入到单式显微镜的研究上，这位荷兰和科学家一生中制作了500多台显微镜，他制作的单式望远镜能放大到270倍，远超同时代显微镜。利用显微镜的高倍数放大功能，他的发现包括了细菌、原生动物、红细胞、精子、微型昆虫与寄生虫的繁殖方法等。[30][31]复式显微镜的发明者尚不明确，但目前一般认为由荷兰的两位眼镜制造商詹森（Hans Janssen and Zachirias Janssen）发明，他们在可调节长短的锡管两端分别装上凹透镜与凸透镜，组成了一台复式显微镜。而第一台设计性能较好的复式显微镜，则由物理学家胡克（R. Hooke, 1635-1702）制作完成。他在物镜之上加上了一块透镜，通过使用或移开透镜，同时改变镜筒长度，使显微镜具有了变倍功能。[30]

显微镜
显微镜

在1662年，安东尼奥·内里（Antonio Neri）出版《玻璃的艺术》一书，提供了制造高质量光学玻璃的方法，加速了光学仪器制作的发展。[26]

尽管人们对光学成像规律的利用很早就开始了，但是理论研究却是缓慢的。直到17世纪上半叶，才由斯涅耳（Willebrord van Royen Snell）和笛卡儿（René Descartes）归纳出反射定律和折射定律，认识到光的几何性质。[32]但对亮度和颜色的观念还很模糊，促使科学家加紧对光的研究。[33]

1666年，牛顿（Newton）利用三棱镜分解阳光，发现了太阳光谱。[9]不同的物质的光谱各不相同，并且物质的多少决定着光谱的强弱。[9][34]1670年，牛顿（Newton）推导出了透镜成像方程，揭示了物面距离，像面距离和透镜焦距之间的数学关系，奠定了现代光学的基石。[26]在1704年，牛顿你出版了《光学》，该书的副标题是:《关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文》用推理和实验来提出并证明光的性质。[10]

牛顿
牛顿

1690年，惠更斯（Christian Huygens）在《论光》中讨论了光振动的传播方向，并创立了波动学说，指出光具有波动性，是研究衍射成像的理论基础之一。[11][12]波动说最有意义的是寻求光振动的传播方向的惠更斯原理：光振动所到达的每一点都视为次波的振动中心。[11]

惠更斯
惠更斯

1860年，麦克斯韦（C.Maxwell）研究指出电场和磁场的改变不局限在空间的某一部分，光的传播是一种电磁现象，随后，他创立了光的电磁理论，从理论上演绎出电磁波的传播速度跟光速相同，说明光的本质是电磁波而不是弹性波。[2][35]1886 年 10 月，赫兹在实验中证明了光的电磁波本质。[35]

麦克斯韦
麦克斯韦

牛顿（Newton）、惠更斯（Huygens）、麦克斯韦（Maxwell）等发现的理论，让基于几何光学和光的经典电磁理论而形成的光学设计理论（古典光学理论）趋于完善，并且由此产生了显微镜、望远镜、照相机、投影仪等各种光学仪器。[13]

衍射光学成像

1960年，梅曼（Maiman）发明了第一台激光器。[15]光学成像进入了一个新的阶段——衍射成像，1947年，英国科学家丹尼斯·加伯（Dennis Gabor）为提高电子显微镜的分辨率提出全息成像术。1962年，利思和厄帕特尼克斯提出离轴全息图，全息术开始有了应用价值。最开始，全息术是用水银灯记录同轴全息图，不能使原始像和共轭像分离，而且没有好的相干光源。在建立了较完善的全息术的理论基础后，利用新型全息记录材料记录像，并使用激光为相关光源，可以把原始像和共轭像分离。人们已经可以在白昼的自然环境下观察到三维彩色全息图像了。[36]1874年，德国人阿贝从波动光学的观点提出阿贝成像理论，通过改造频谱来改造信息，提高成像质量，这成为现代光学中空间滤波和信息处理的基础。[26]

离轴全息图
离轴全息图

近场光学成像

1928年，英国的申奇（E.Hsynge）发表论文“把显微镜扩展到超大型显微区的建议”，提出了近场显微镜的构想。[37]1984年，IBM苏黎世研究实验室D.W.Pohl等制作出了称为“光学听诊器”的扫描近场光学显微镜，近场显微镜理论终于转化为实物。[37][16]扫描近场光学显微镜的分辨极限达到1/20波长，首次突破了可见波段由衍射效应导致的显微镜分辨极限。[16][38]2022年，清华大学戴琼海院士带领的实验室团队提出一种集成化的元成像芯片架构，为突破光学像差的世界难题提供了新路径。[39]

实验室部分团队成员
实验室部分团队成员

经过长足的发展，光学成像技术已经趋向成熟，现代人们已经可以熟练运用各种形式的成像，其中透镜成像、光纤成像、衍射成像、扫描成像、遥感成像、高速摄影、软X射线和极紫外光显微成像和计算机层析成像等技术是常见的成像方法。[40]

成像原理

光学成像按成像原理可以分为几何光学成像和物理光学成像两大类。其中，透镜成像、扫描成像属于前者，衍射成像、综合孔径成像属于后者。[41]

几何光学成像

几何光学成像是以光的直线传播性质为基础，研究光在媒质中传播路径及各种光学元件成像问题。[42]几何光学的理论基础是由实际观察和直接实验得到的几个基本定律：光的直线传播定律、光的独立传播定律及光的反射和折射定律。[43]透镜成像、近场扫描成像属于几何光学成像。[41]

透镜成像

透镜是指使用透明材料制成的具有两个折射表面，且至少有一个是曲面的光学成像元件。[44]透镜成像是指在几何光学中，从“物”发出的光线经过透镜后发生了偏折，在像方形成交点，即形成物的像。[45]

透镜按聚光性质可分为会聚透镜（又称凸透镜、正透镜）和发散透镜（又称凹透镜、负透镜）。[44]

凸透镜与凹透镜
凸透镜与凹透镜

凸透镜中央较厚、边缘稍薄，可用作远视镜和老花镜。当平行光线通过凸透镜发生偏折后，光线在出射方向会聚、交于一倍焦距处（即F点），形成实像。[44]

凹透镜中央较薄、边缘稍厚，可用作近视镜。当平行光线通过凹透镜发生偏折后，光线发散，且发散光线的反向延长线全部相交于与入射光线同一侧的焦点F处，形成虚像。[44]

凸透镜与凹透镜成像
凸透镜与凹透镜成像

在实际生活中，放大镜、照相机、幻灯机和投影仪等都利用了透镜成像。[5]

放大镜原理
放大镜原理

扫描成像

扫描成像是指把图像信息用一定的取样孔径，按一定扫描方式获得和记录，再以同样的扫描方式重现图像。[46]比如，在电视扫描成像系统中，被测样品由物镜成像在取样、扫描单元，取样、扫描单元的信号由光电转换单元输出到显示单元，成再现像。[47]

电视扫描成像系统
电视扫描成像系统

扫描成像是一种普遍的成像方式，一般应用于图像的传输和处理、极端情况下的图像获取和没有二维图像的接收器等情况。[48]若要想获得优质的扫描图像，取样的方式、成像的分辨率和焦深和取样间隔等要慎重考虑。[49]

扫描光学成像显微镜和扫描声光显微镜是两种不同的扫描成像。[50]由激光器发出激光束以衍射极限焦斑的尺寸照在被测物体上，带有被测样品信息的反射光由光电探测器接收。[51]这是扫描光学成像显微镜的基本原理。[51]扫描光学成像具有高分辨率的特点，同时，也适用于解释荧光显微镜、激光喇曼显微镜、相干拉曼散射、双光子荧光和二次谐波等的成像。[51]

扫描光学显微镜框图
扫描光学显微镜框图

扫描声光显微镜是被测样品吸收光能，部分光能转换为热能。热能引起样品变形。若入射光被周期性地调制，样品因此产生周期的热变形，此周期性变形产生的声波（包括振幅和相位）可用声探测器接收。[52]这种声波的振幅和相位与被测样品的热和光的性质有直接关系，能对不透明材料结构进行成像，因此通过这种方法能对金属、陶瓷等材料内部缺陷进行检查。

扫描声光显微镜原理框图
扫描声光显微镜原理框图

物理光学成像

物理光学是相对几何光学而言的[53]，主要讨论光的物理性质，根据光的波动性，解释光的干涉、衍射等现象。[54]衍射成像、综合孔径成像是物理光学成像。[41]

衍射成像

衍射成像是指光绕过障碍物的边缘传播形成具有明暗相间的衍射图样。[55]并且只有当障碍物的尺寸与波长相近时，衍射现象才开始显著。[56]惠更斯—菲涅耳原理可以很好的解释衍射成像现象，一方面波阵面上的各点可以看成子波波源，光波不断向前传播，另一方面，波场中各点的强度有各子波在该点的相干叠加决定。[57]据此，可以计算衍射成像中的振幅、传播距离、传播方向和光强分布。[57]

在实验室中，利用激光演示的衍射成像现象主要有狭缝衍射和圆孔衍射两例。[58]狭缝衍射是一激光束通过一条细长的狭缝后，在距缝几米远处的白屏上出现长的明暗相间的衍射条纹。[59]在单缝衍射图样中，各处的光强分布不同，中央明纹光强最大，其他明纹光强迅速下降。[60]中央明纹宽度也最宽，约为其他明纹两倍。[60]

激光的单缝衍射
激光的单缝衍射

圆孔衍射是把一束激光通过透光圆孔后，白屏上出现明暗相间的圆衍射条纹。[58]在白屏上，中心永远是一个亮点。[61]

激光的圆孔衍射
激光的圆孔衍射

综合孔径成像

用小孔径综合形成大口径就是综合孔径成像，即用许多小孔径的物镜代替一个大孔径的物镜聚光，使大孔径范围的平行光聚在焦点处，目的是用小孔径系统达到大孔径的分辨率。实现综合孔径成像的前提是同相位，即各个小孔径物镜的光波同时间到达成像处。综合孔径成像的方法主要有干涉法，孔径组合法和相干编码法。干涉法是通过测量物体辐射场的复相干度，获得物体信息；孔径组合法是利用多个小孔径透镜作为大孔径透镜部件，让其成像相干叠加，获得物体的高频信息；相干编码法是利用物体辐射的相干波的振幅和相位分布以编码的形式记录下来，后通过解码方式重现物体图像。[62]

综合孔径成像基本原理
综合孔径成像基本原理

成像方式

平面镜成像即在平面上反射光形成像，平面是最简单的光学系统。[4]单球面（凸透镜）[63]是仅次于平面的简单光学系统，是组成现在大多数光学系统的基本组元，是研究一般光学系统的成像基础。[64]下面详细讨论平面镜成像和单球面系统成像的问题。[65]

平面镜成像

平面镜成像即平面镜反射成像原理，[4][66]是一个最简单、不改变光束单心性的、完善像的光学系统。[4]平面镜所成像的大小与物体的大小相对，像和物体到平面镜的距离相等，像和物体的连线与镜面垂直，即平面镜所成像与物体关于镜面对称。[67]同时，平面镜所成像是虚像。[68]平面镜的使用历史悠久，古代人们就使用铜镜，在现代牙医用小镜检查牙齿，军事上的潜望镜由两块平面镜组成。[67]

平面镜成像
平面镜成像

凸透镜成像

凸透镜成像是指光源上每一个点光源发出的光经过凸透镜折射后重新会聚到一点，这些会聚的点和光源上的每一个点光源位置对应，组合起来就形成了光源的像。[69]凸透镜的成像和透镜的焦距有关。不同焦距的凸透镜，在相同的物距下的物体成像情况不同，具体信息如下表：[5][70]

物体到凸透镜的距离像到凸透镜的距离成像特点实际应用
倒立或正立放大或缩小实像或虚像
倒立缩小实像照相机
倒立等大实像测凸透镜焦距
倒立放大实像幻灯机、投影仪
不成像
正立放大虚像放大镜

求像公式

不同的光学系统，表现为主点和焦点的相对位置不同，焦距不等。对于理想光学系统，只要知道焦距大小和焦点或主点的位置，成像性质可完全确定，而不必涉及光学系统的具体结构。[71]如果想要精准地求解像的位置和大小，需要公式计算解析方法。[72]可以利用牛顿公式和高斯公式完成求解，描述任意位置物体的成像性质。[73]

牛顿公式

牛顿公式是相对于光学系统的焦点来确定物和像的位置，[73]只要知道焦距大小和焦点的位置，可求得像的位置和大小。[71]利用三角形相似的原理，可完成推导如下：[74][73]

理想光学系统的物象关系（牛顿公式）
理想光学系统的物象关系（牛顿公式）

在上图中，假设表示物距，表示像距，则物体高为y，像高为，为焦距。根据几何关系，可得：[74]

和

整理得（牛顿公式）。[74]

高斯公式

高斯公式是相对于光学系统的主点来确定物和像的位置，[73]只要知道焦距大小和主点的位置，可求得像的位置和大小。[71]。推导过程如下：[73]

理想光学系统的物象关系（高斯公式）
理想光学系统的物象关系（高斯公式）

在上图中，假设表示物点到主点的距离，表示像点到像方主点的距离，为焦距。根据几何关系，可得,将其代入牛顿公式可得，

即(高斯公式)。[74][75][73]

理想成像条件

基于光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的反射定律及折射定律、光路的可逆性原理的几何光学定律，可以使用几何学的方法研究光的传播和成像问题。[76] 光学系统理想成像有两个条件：近轴光束条件和近轴物点条件。[76]

近轴光束条件

已知球面是折射率为和的两个透明介质的分界面，球面的曲率中心为，自发光发出的光线经过单球面折射后与主光轴SR相交于。[77]

轴上物点成像
轴上物点成像

在三角形中，按正弦定律有：

同理，由三角形得：

在折射点，按折射定律有：

计算可得：

其中和的数值，可由三角公式算出：

将的两端平方并以上列和值代入，则有：

通过计算表明，发光点所在的物空间的单心光束，经球面折射后，除特例外均变为非单心光束；换而言之，球面折射破坏光束的单心性。但当角很小时，以至于可视为1的弧度值无实际差别，即可视为、 可视为时，都唯一决定于。在主光轴上发光点发出的单心光束经球面折射仍保持为单心光束，即对该发光点能获得“点像”。

根据以上讨论，可以得出近轴光束条件：（1）与主轴成角度的光线，与主轴的角度不应过大，使角度的弧度值近似等于其正弦或正切值；（2）平行于主轴的光束不应过宽，否则会使对应的出射或入射光束张角过大，从而无法满足条件（1）。

也可以将近轴光束条件简述为：成像光束的孔径角。[77]

近轴物点条件

设在球面的曲率中心处放有一小圆孔的屏，并且它的圆心在主光轴上。由于这个屏，使从以为中心的物空间球面 上每一点发出的、以其法线为轴的元光束，均有相同条件（）。因而在以元光束成像的情况下，与物空间球面上各点共轭的像点，将在以为中心的另一个球面上。即用元光束经球面折射成像时，一对共轭面是两个同心的球面。当我们对成像的物面的大小做一定的限制，即限制元光束的光轴对主光轴的夹角——视场角很小，致使弧段与垂轴直线段间无可计较的差别时，则可认为共轭面是两个 垂直于光轴的平面。可见，对于垂轴的直线段或平面，即使用元光束通过球面折射成像，也只能在近轴区域才有完善的像。根据以上讨论可得近轴物点条件：成像光束的视场角。[76] [78]

轴外物点成像
轴外物点成像

在现实生活中，由于光学器件制作工艺和放置不可能完全精准，难以保证光学系统理论上的同心性。但是，这并不影响人们对光学成像的运用。[76]

性质

物体经过凸透镜成像时，由于物距的变化，导致所成的像的大小、虚实、倒正随之相应变化，[79]此外，物与像的等光程性也是一个重要结论。[80]

成像位置

在透镜成像中，当成正立、放大的虚像时，像与物在透镜同侧；成实像时，像与物在透镜的异侧。[81][82]薄透镜成虚像和虚物成实像的测量，有两种方法：一是利用实物成虚像法测量虚像像距，二是利用虚物成实像法测量虚物物距。[83]对于薄透镜成像有公式：其中，为物距，为像距，为凸透镜的焦距。[83]

成像大小

凸透镜的成像和透镜的焦距有关。[70]其中放大和缩小的像区别在二倍焦距处，物距大于二倍焦距时，像缩小；物距小于二倍焦距时，像放大；物距等于一倍焦距时，不成像。当物体呈实像时，物距增大，像距减小，实像逐渐变小；物距减小，像距增大，实像逐渐变大。成虚像时，适当增大物距（ 远离被观察物体）但仍小于一倍焦距，虚像变大。[84]

正立和倒立

在凸透镜成像中，实像或物距大于像距的像都是倒立（上下左右与物体相反）的，虚像或物距小于像距的像都是正立的。[85]在平面镜成像中，所有所成的像都是正立虚像。[67][84]

实像和虚像

自物点发出的光束，经过光学系统后若保持为单心光束，则这个经过系统的光束的心称为光学系统对该物点成的像点。[86]像点有实像和虚像，如果光束中各光线实际上确实在该点会聚，那么这个汇聚点称为实像；如果反射或折射后的光束是发散的，但是这些光线反向延长后仍然能找到光束的顶点，即光束保持单心性，那么这个发散光束的会聚点称为虚像。[87]

实像和虚像
实像和虚像

等光程性

在几何光学中，物与像的点一一对应。[88]在实像和实像之间，有无穷多条实际的光线路径，根据费马原理，它们的光程应取极值或恒定值，这些连续分布的光线光程都取极大值或极小值是不可能的，只能取恒定值；在虚像和虚像之间，我们引入“虚光程”后。作同样处理，可得到光程相等。[80]因此，根据费马原理可推导出：物点和相点之间各光线的光程都相等。[80]

物像之间的等光程性
物像之间的等光程性

应用

任何成像系统的最后环节都是图像的接收、记录和显示，是成像系统的重要组成部分。除了眼睛外，按近轴光学原理依次可分为显微镜、望远镜、照相机。[89]眼睛类似一个单透镜成像系统[90]，显微镜能将很小的物体放大成像，[91]望远镜则是一种视角放大光学成像系统。[92]照相机能对周边景物缩小成像。[93]在同时光学成像在光学遥感、信息通信、生物医疗、工业制造等领域多有应用。[19][20][21]

眼睛

人眼近似一个球体[94]，类似一个单透镜成像系统，[90]前面部分主要由角膜、前房、虹膜和晶状体等组成，起光学透镜作用；后面部分主要是玻璃体与视网膜等组成，主要起光学传感作用。[94]通过人眼，物体可以在网膜上形成清晰的像。[95]当观察近距离物体时，晶状体周围的肌肉收缩，晶状体前表面曲率半径变小，此时焦距缩短，后焦点由视网膜向前移，从而使有限距离物体成像在视网膜上。当物体观察远距离物体时，无限远处物体正好成像在视网膜上，即眼睛的像方焦点正好与视网膜重合。[96]

人眼的结构示意图
人眼的结构示意图

显微镜

显微镜是指将很小的物体放大成像的光学技术，是一种对物体的近距离放大成像的过程。[91]显微镜由目镜和物镜两部分组成，目镜和物镜之间的间隔比各自的大得多。物体放在成像系统左侧焦距以外时，光透过物镜得到一个放大的实像，这个实像又透过目镜得到一个倒立放大的虚像，这就是我们观察到的像。[97]在显微镜中，想要放大率愈大，需要焦距愈短，20x的放大镜，其焦距不过1.25厘米。[98]斯特凡·W·赫尔因在2000年发明受激发射损耗（STEVD）显微技术获得2014年诺贝尔化学奖。[99]

显微镜成像光路图
显微镜成像光路图

望远镜

望远镜是应用光学成像系统实现对远处目标的观察和成像系统，是一种视角放大光学成像系统。[92]望远镜是由两个共轴的光学系统组成，分别被称为物镜（靠近物体的光学系统）和像镜（靠近人眼的光学系统）。[100]两个光学系统的焦点重合时，能看到有限远处的物体。天文望远镜为了看到更远的物体，要求物镜的尽可能大而像镜的焦距尽可能小。[100]2016年9月，“FAST”落成，这是由中国建成的全球最大最灵敏的单口径射电望远镜。[101]

“中国天眼”FAST
“中国天眼”FAST

照相机

照相机拍摄需要拍摄对象离成像系统有一定的距离，一般来说比焦距大得多，是对周边景物缩小成像的过程[93]。照相机的物镜使空间物体在某一平面上的投影或某一平面上的物成实像于感光板上，感光板记录所成的像。[102]胶片相机上涂一层光敏感物质，这种物质在受到光的照射后发生化学变化，物体的像被记录在胶片上。[103]一般情况下，只需要调节镜头与底片的距离可以使不同距离的物体在底片上清晰成像。[104]像素越多表面分辨率越高，成像图像越细腻。[105]

单反相机的基本结构
单反相机的基本结构

光学遥感

遥感技术将人们带入了一个多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代，能实现全天候工作和实时获取信息。[106]在环境监测、天文观察和安全保卫等方面，不断创造出新型的光学成像产品，服务人们，例如：遥感技术实现大气监测和卫星监测，天文望远镜、光刻机分辨率提高，红外成像系统在黑暗中捕捉人的活动等。[20]现代的遥感技术更是能实现全球对地观测，实时获取信息。[106]随着激光技术、光电子技术、光纤技术和计算成像等技术的不断发展，光学成像应用飞速发展。[107]可直接用于视觉和推理的应用，而不需要提前获得人眼可以分辨的图像，为人机交互、目标识别与分类提供有力支撑。[108]

高分微波遥感器载荷工作模式示意图
高分微波遥感器载荷工作模式示意图

信息通信

信息快速、大量地传播离不开光学成像技术的支持。[21]在图像技术中，几何光学成像和衍射成像技术是支撑技术之一。可见图像的电子屏幕的显示，红外图像到可见图像转换的显示，纸质显示等都用到了光学成像技术。[21]光学成像成为了现代信息产业的核心力量，为现代信息社会的发展奠定了坚实基础。[21]

光纤通信
光纤通信

生物医疗

光学成像技术以其非侵入性、低成本等特点被广泛应用在生物医药上[109]。光学成像技术应用在医疗上，能达到无创检测，可视化检查，辅助诊治，提高患者治疗成功率。[110]比如：在手术中，用光纤所构成的医用窥镜，使光学诊断、激光外科手术和人体内部器官可面前成清楚的光学像。[111]让镜片折射率从镜片底部开始平缓过渡，以补偿眼球缺陷，能利用眼科成像仪器清晰观察眼睛病变情况。[112]有赖光学成像，近代生物学的研究实现了可视化、可测量、可操作。利用光学成像，生物研究过程可见，获取生物样本详细信息，甚至能控制单个细胞。[113]

眼科成像仪器
眼科成像仪器

工业制造

光学成像技术应用在工业制作中，具有非接触式遥感探测、响应速度快、空间分辨率高、可用于恶劣环境及检测效率高等特点。光学成像理论在机器视觉和军事国防方面被优秀成熟地运用。

机器视觉是指光学成像计算、图像处理技术和图像识别算法、从产品的实物、产品的图像或其他和产品有关的场景中提取有关信息，用于产品设计、产品质量的检验等。[114]在军事国防上，通过巡航过程中拍摄图像和预订目标物图像进行比较，确定导弹是否到达轰炸目标，结合GPS指示导弹的巡航路线，完成巡航导弹的精准定位。[115]

巡航导弹
巡航导弹

发展

在空间上的极大和极小两个方向上的光学成像仪器。[116]可观察宇宙大范围的天文望远镜，和观察更小对象的近场扫描显微镜。[116]如：中国天眼FAST[101]，瑞典科研人员发明纳米流体散射显微镜。[117]

中国天眼FAST
中国天眼FAST

可观察极快过程的高速成像系统。[116]2021年，中国脉冲相机研发完成，实现超高速连续成像，能实时追踪识别超声速目标，未来有望替代传统视频系统。[118][119]

脉冲相机
脉冲相机

在波长的极长波和极短波两个方向上使用的光学成像仪器。[116]在长波方向上，主要研究长红外波和超远外波的光学仪器；在短波方向上，主要研制纳米级的极紫外光和软X光的波长成像光学仪器。[116][120]

极紫外自由电子激光装置“大连光源”
极紫外自由电子激光装置“大连光源”

在温度的极高温和极低温条件下使用的光学成像仪器。[116]宽谱段高分辨率低温成像光谱仪制冷系统设计为国内在火星、金星、小行星等系统矿物的探测能力提升奠定技术基础。[121]

在图像处理新技术方面，研究图像复原的滤波技术、自适应技术、光折变技术等。[116]计算成像以光学数码成像为基础发展，提高信息计算分析的自由度，使得高维度视觉信息在尺度与分辨率上实现质的突破。[122]

光声成像

光声成像是指基于生物组织的光声效应，完成三维成像。在光声效应过程中 ，物体吸收光照能量转换成热能 ，再进一步发生热弹性膨胀 ，从而产生并向外传播超声信号。[123]光声成像多用于生物医疗，兴起时间短。[124]光声成像技术融合了光学成像和超声成像的特性。[124]而光学成像是基于光直线传播、折射等原理获得成像信息，用于信息通信、工业制造、光学传感等多个领域，发展时间长。[20][115][40]

光声成像示意图
光声成像示意图

光谱成像

光谱成像是指通过记录不同空间位置的光谱来捕捉物质的空间和光谱信息，感知物质的客观存在，了解物质的组分。光谱成像是利用光谱，来分析物体的波长、结构特征和化学特性等特征，需要光谱器件（色散元件或滤色片）协助完成。[125][126]而光学成像主要基于几何光学的原理，来分析物体的颜色、亮度等物理特性，需要光学器件协助完成。[2]

高光谱成像光谱仪
高光谱成像光谱仪

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