光学成像原理精选(九篇)
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第1篇：光学成像原理范文
关键词：项目教学法 教学能力 学习能力 就业能力
中图分类号：G712文献标识码：A
文章编号：1004-4914（2010）12-126-02
高职院校广告综合实训课程是广告专业在校三年中最后一门专业课程，它的开设建立在该专业基础课程的学习已经完成，学生已经学习了广告导论、广告创意、广告欣赏、广告策划、广告心理学、市场营销、影视广告创意与制作等专业基础课程，并按每门课程的具体要求完成了每门课程的实训部分，在此基础上，完成一个或数个关于产品或企业的全案策划，它包括产品开发、市场调研、品牌规划、市场推广四部分。广告综合实训课程的开设目的是帮助学生掌握所学广告基础课程的知识，训练学生综合运用知识的能力及对知识融汇贯通的应变能力，对学生自学能力是一次考验和挑战。广告综合实训课程将会使学生对知识和技能的掌握有一个质的飞跃，它要求学生通过对实训案例的真实策划、组织、管理与执行，达到一个广告策划师、广告文案、广告设计师、摄像、后期编辑等应具备的岗位就业能力，从而实现学生从学校向社会的转型。
高职院校广告综合实训课程的教学过程中导入项目教学法，可以使学生在教师的指导下亲自处理一个广告项目的全过程，在这一过程中学习掌握广告教学计划内的教学内容。这种教学活动的开展，其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。项目教学法中所设置的“项目”包含多门课程的知识。学生通过该项目的进行，了解并把握整个工作或创作过程及每一个环节中的基本要求。
一、广告综合实训课程导入项目教学法的案例探索
建构主义理论认为，只有当一个人已有的知识无法解决他所面临的问题时，真正的学习才会发生。学习不是由教师向学习者传递知识的活动，而是学习者自己建构知识的过程。学习者不是被动地吸收信息，而是主动地通过已有的认知结构对新信息进行加工和建构，这种学习更强调主动性、社会性、情境性、协作性。建立在建构主义理论基础之上的项目教学法是以学生的自主性、探索性学习为基础，采用类似科学研究及实践的方法，它既是促进学生主动积极发展的一种新型的教学方法，也是一种学生探究型学习的方法。
1.教学任务。此次实训任务是广播电影电视管理干部学院2008级影视广告专业广告策划方向31名学生、平面广告设计方向两个班74名学生以及影视广告方向31名学生分别由3名老师带队辅导，导入了以项目案例教学为核心的“项目教学法”，立足于培养学员技术技能、项目经验和职业素质三方面的能力。按教学要求需要每个团队在一个学期的时间里完成一个项目案例。教师将需要完成的任务以项目的形式交给学生，在教师的指导下，以小组工作方式，由学生自己按照实际工作的完整程序，共同制定计划、共同或分工完成整个项目。学生在项目实践过程中，理解和把握课程要求的知识和技能，体验创造的艰辛与乐趣，培养分析问题和解决问题的能力、团队合作精神等。
2.项目主题。2010年9月，2008级广告专业的学生进入到了为期18周的广告综合实训课程学习阶段。广告专业实训课程的带队教师为本次课题设计了一个关于本次项目教学的大型主题：“经济山西，设计山西。”要求广告专业的学生在这一大主题之下完成对山西地方产品的挖掘、产品品牌规划及产品市场推广等创意策划、执行工作，为振兴山西经济贡献微薄之力。
3.关于产品。这次广告综合实训课程是由2008级广告专业平面广告设计方向的学生率先启动的。这批学生在暑假期间就已经接到了课题，他们在暑假期间，深入山西各地、市、县乡镇以及村村落落，挖掘到有价值的山西地方产品70多件，这些产品涉及食品类、礼品类、酒类、干果类等，包括山西运城地区闻喜县的煮饼，柳林的红枣，汾阳的核桃以及平陆的杂粮、炒棋等等，做到了每位学生人手一份，并站在一个平面设计师的角度为产品进行了形象设想，在开学时每人都递交了自己的产品方向，为广告专业整体迅速进入综合实训创造了条件。
4.团队建设。广告综合实训课程的执行者――2008级广告专业的学生按照所挖掘到的产品迅速组织起了关于产品的项目团队，它的结构类似于一个综合性广告公司的策划部与创意制作部，在团队里就职岗位分别有策划、市场调研、广告文案、平面设计师、影视广告制作等小组。
（1）策划。负责对产品进行品牌市场调研、品牌规划、市场推广等策划工作，使执行团队的工作在策划的管理下能够有的放矢。2008级广告专业策划方向的学生主要担当策划一职。
（2）市场调研。负责对产品进行品牌市场调研的执行工作。2008级广告专业策划方向的学生根据市场调研的问卷对2009级和2010级广告策划方向的部分学生进行调研培训，实现了教学实验室传帮带的功能，市场调研小组利用课余时间帮助产品项目小组完成部分市场调查及数据整理工作。
（3）广告文案。负责完成产品品牌规划案中的广告创意策略的文案执行部分。2008级广告专业策划方向的学生主要担当该职位。
（4）平面设计师。负责完成产品品牌规划案中的广告创意策略的平面设计执行部分。2008级广告专业平面广告方向的学生主要担当该职位。
（5）影视广告制作小组。负责完成产品品牌规划案中的广告创意策略的影视广告执行部分。2008级广告专业影视广告方向的学生主要担当该职位。针对74个产品开发项目，广告专业学生组织起了相应的60个山西地方产品项目团队，根据人数匹配原则，广告策划方向的学生每人负责两个项目的策划工作，平面广告设计方向的学生正好是人手一案，由于项目在策划中，影视制作团队同时参与到广告策划的团队中为产品的品牌进行创意工作。
5.市场调研。针对产品的市场调研工作正式启动起来，为了保证学生们挖掘到的产品都能够顺利地投放市场，广告策划的学生开始策划关于产品品牌规划的市场调研工作。工作目标主要是通过对同业市场、产品自身状态的了解以及消费者对产品的购买心理、购买习惯及行为的一系列调查，为产品的品牌进行科学而准确的定位。工作内容主要包括：论证市场调研的必要性，完成市场调研建议书；定义问题，确定工作思路；确立调研目标；进行调研方案的设计工作；确定信息的类型和来源，进行资料的收集工作等；消费者问卷设计、抽样方案及样本容量收集资料；资料分析；撰写市场调查报告，为品牌定位提供意见与建议。与此同时，平面广告设计的学生开始了关于品牌名称的商标注册的调研工作以及同类产品平面广告投放及表现的调查工作；影视广告制作的学生开始了同类产品影视广告投放及表现的调查工作。
6.品牌规划与市场推广。根据市场调研的结果，关于产品的品牌规划工作正式展开。此阶段的工作目标是建设产品与众不同的品牌识别，为产品品牌建设设立目标、方向、原则与指导策略，为日后的具体品牌建设战术与行为制定行为规范。工作内容主要包括提炼品牌的核心价值；对品牌进行准确的形象描述；规范品牌识别系统；根据目标消费群的触媒习惯选择合适的媒体，确定媒体沟通策略；根据媒体策略制定品牌的创意策略，并进行品牌化的产品包装设计、展示设计、影视广告片的制作、以及平面、网络等媒体的文案撰写工作；运用广告、公关赞助、新闻炒作、市场生动化、关系营销、销售促进等多种手段开展品牌传播和推广的策划与执行工作。
7.阶段式项目展示。项目完成的每个重要阶段，参加实训的同学交流写出各具特色的实践报告，举办成果报告展，同时邀请广告行业、产品行业、市场专家等与实训师生一起对学生作品进行评估。通过自评和专家的评估，使学生对本次项目活动有一个客观的认识，对所学知识有进一步的巩固和提升，使该项目所用的理论和所得到的经验真正进入学生的知识网络，缩短学生与就业岗位之间的差距，为零距离就业提供机会和可能。
二、广告综合实训课程导入项目教学的意义
项目教学法的理论认为，知识可以在一定的条件下自主建构获得。学习是知识、技能与行为、态度与价值观等方面的长进；教育是满足长进需要的有意识、有系统、有组织的持续交流活动。在高职高专院校广告综合实训课程过程中引入“项目教学法”，具有非常重要的实践意义。
1.符合广告行业对人才需求的特点，校内广告实训基地实至名归。高职高专院校广告专业建设应与广告公司的职业岗位密切挂钩，以市场需求为指引，以就业为导向，突出对学生职业能力的培养。广告综合实训课程导入项目教学法的目标就是培养学生的自学能力、动手能力、研究和分析问题的能力、团结协作能力、交流能力、职业素养、创新能力等，把课堂学习与企业实践结合起来，所培养的学生才能符合广告行业对人才培养的要求，实现毕业后一步上岗，零距离就业。
高职高专院校广告综合实训课程的教学过程是以广告公司的职业岗位的工作过程为参照系的，强调的是对工作过程的学习过程，这样的教学行动恰恰需要广告的专业情境来配合。校内广告实训基地为项目教学提供了实现这一情境的工作场所，营造了企业岗位工作氛围、锻炼了学生适应社会和适应市场的能力，校内广告实训基地成为了真实意义上的广告公司。
2.对教师和学生都提出了更高的能力要求。教育家陶行知先生说过：“教、学、做应是一体化的，教、学、做是一件事，不是三件事。”的确如此，高职高专院校广告综合实训课程导入项目教学，对指导教师是一个严峻的考验。它不仅要求教师具备完整的广告理论体系，对教学的组织和管理能力，对案例的考评能力，而且必须具备丰富的广告前线实战经验，能与学生在广告专业领域同进退、共成长，成为真正意义上的广告双师型教师。同时，项目教学使学生真正成为学习的主体，通过独立完成项目把广告理论与实践有机地结合起来，不仅提高了广告理论水平和实际执行能力，丰富了广告实战经验，而且又在教师有目的地引导下，培养了学生自主学习、独立思考、独立操作、合作学习、解决问题等综合能力，减少了学生对教师的依赖，提高了高职院校广告专业的学生的就业能力。这也正符合了国际学习科学领域所公认的一句话：“听来的忘得快，看到的记得住，做过的才能会。”
教育部在《关于高职高专人才培养工作的意见》中指出，高职教育是培养适应生产、建设、管理、服务第一线需要的，具有综合能力和全面素质的高等技术应用型人才。广告综合实训课程导入项目教学缩短了学生对广告理论与实践的距离，强化了实践教学环节，打破了传统课程原有的学科体系及传统教学方法，根据“必需、够用”的原则对相关知识进行重新组合，注意专业知识的相互融合与解决实际问题相结合，切实做到了理论联系实际。
参考文献：
1.范捷平译著.德国教育思想概论.上海译文出版社,2003
2.程晓棠.任务型语言教学.高等教育出版社,2004
3.张党省.职业教育项目课程实施研究.职教通讯,2003
第2篇：光学成像原理范文
直接按“MENU”键进入菜单，找到相片大小设置，用导航键进行选择，按SET键确定；或者在屏幕参数上按“打印键”进入参数设置，导航键选择相片大小设置，用拔盘调整。
照相机简称相机，是一种利用光学成像原理形成影像并使用底片记录影像的设备。很多可以记录影像设备都具备照相机的特征。医学成像设备、天文观测设备等等。照相机是用于摄影的光学器械。
（来源：文章屋网 ）
第3篇：光学成像原理范文
eos70d配微单镜头即可，所谓微单镜头，即指微单相机的镜头。微单，即微型单反相机的简称。所谓微单，是一种定位于单反相机，与卡片机之间的相机。
照相机是一种利用光学成像原理形成影像并使用底片记录影像的设备，是用于摄影的光学器械。在现代社会生活中有很多可以记录影像的设备，它们都具备照相机的特征，比如医学成像设备、天文观测设备等。被摄景物反射出的光线通过照相镜头（摄景物镜）和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，经冲洗处理（即显影、定影）构成永久性的影像，这种技术称为摄影术，分为一般照相与专业摄像。
（来源：文章屋网 ）
第4篇：光学成像原理范文
反差高是指光与暗之间明显分隔，反差低则指光与暗之间不够明显或不够鲜明。
2、反差是相机画面设置的一个参数。调整反差就是改变画面亮区与暗区的对比情况。这个参数通常称为也被称为对比度。
3、照相机是一种利用光学成像原理形成影像并使用底片记录影像的设备，是用于摄影的光学器械。
第5篇：光学成像原理范文
相机uw是指这个相机镜头的生产地和年份，字母u代表宇都宫工厂，W代表生产年份是2008。
照相机是一种利用光学成像原理形成影像并使用底片记录影像的设备，是用于摄影的光学器械。在现代社会生活中有很多可以记录影像的设备，它们都具备照相机的特征，比如医学成像设备、天文观测设备等。被摄景物反射出的光线通过照相镜头（摄景物镜）和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，经冲洗处理（即显影、定影）构成永久性的影像，这种技术称为摄影术，分为一般照相与专业摄像。
2018年9月，世界海关组织协调制度委员会对将无人机归类为“会飞的照相机”。1550年，意大利的卡尔达诺将双凸透镜置于原来的针孔位置上，映像的效果比暗箱更为明亮清晰。
（来源：文章屋网 ）
第6篇：光学成像原理范文
关键词：空间滤波测速 滤波效应 功率谱密度函数
中图分类号：V475 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0078-03
1 引言
20世纪60年代，随着光学与电子学的快速发展，光学测量在科研和工程领域的重要性逐渐凸显，特别是非相干光源如激光的发明使很多以前不存在的光学测量技术得到了发展，其中最典型应用即速度的测量。
为了对速度进行测量，人们提出了很多种类的光学测量方法，可将它们分为非相干和相干技术两种，需要注意的是，这种分类并不意味着它们必然使用了非相干光源或相干光源。相干技术利用了光的振幅和相位信息，如激光多普勒测速法（LDV）[1]，激光斑纹测速法（LSV）[2]等；而非相干技术利用了目标成像的光强信息，两者的区别一般被认为是“图像”和“干涉图样”的区别[3]。在光学发展的早期，非相干技术包括照相法和摄影法，这些方法在测速时简单的对目标的运动轨迹进行观察或摄影，如光电图像追踪技术，后期被称为空间滤波技术（SFV）。在多种非相干和相干技术中，激光多普勒测速法由于其较高的空间分辨率和较高的测量精度而被很多学者进行了广泛的研究，虽然空间滤波法的测量性能与多普勒法是类似的，但一开始并未得到足够的重视，近些年来，空间滤波法以其光学和机械结构简单稳定、光源可选的实用优点而得到了越来越多的重视。本文对空间滤波测速的发展进行了介绍，并从数学角度对空间滤波特性进行了分析。
2 空间滤波测速的发展及原理
2.1 空间滤波测速的发展
空间滤波测速的基本概念来源于于航空相机控制技术和红外光学跟踪技术。明确的提出将空间滤波法用于速度测量来自于Ator的研究[4]，他从理论上明确了利用平行狭缝作为空间滤波器进行测速的原理，还从相关性理论的角度对这种方法进行了分析；Gaster[5]则对空间滤波法进行了试验验证，他将其应用于液体流速的研究；Naito和Tsutsumi[6]给出了空间滤波法的理论基础，他们对透射光栅进行了空间域的分析，给出了它的功率谱密度函数和空间透射比，并成功的证明了透射光栅相当于一个空间滤波器，能够用于进行速度测量；为了增强空间滤波器的选择性，Kobayashi和Naito[7]讨论了窄带通滤波器的最优性问题；为了改善低空间频率域内的滤波特性，Tsudagawa[8]等介绍了平行四边形视场，从而使空间滤波器性能得到了改进；Ushizaka和Asakura[9]研究了一种拥有显微镜的光学成像系统空间滤波测速法，并将其应用到在一个直径为130um～3.3mm的细小玻璃管内用于测量液体流速的分布；Aizu[10]等构建了一种差分式透射光栅测速计，它改善了滤波器滤除多余低频成分的能力，并证明了其在显微领域测量流速的有效性；Koyama，Aizu，Borders，Reuter和Kratzer[9]等一些研究人员则将这类空间滤波测速计应用于进行血液流速方面的研究。
在这些研究的基础上，Kobayashi[7]团队将空间滤波探测器进行了拓展，提出了具有空间滤波器功能的光电探测器；Itakura等[6]利用一个液晶元件阵列构建了一种新型的空间滤波器，并实现了两维速度分量的测量；除此之外，其它光学元件也可以用作空间滤波器。Hayashi和Kitagawa[11]利用光纤阵列构建了一种空间滤波器，他们将这种空间滤波器用于进行两维的速度分量和距离的测量，并确定了速度的方向；棱镜光栅是能够作为空间滤波器的光学元件中很有趣的一个例子，据此，科学家们诸如Plesse，Slaaf，Reuter和Talukder等实现了血液流速的测量[9]；Ushizaka[12]研究了透镜光栅的成像和折射特性，证明了它和棱镜光栅的原理相似，同样可以作为空间滤波器。
空间滤波测速的原理已经以多种方式应用于运动目标的测量。与双电子束LDV类似，Ballik和Chang[13]从理论和实验方面研究了一种边缘成像技术，在一个运动物体上进行仿光栅照明，而实际上在其前方并没有放置光栅，强度被调制后的散射光由一个光电探测器进行接收，通过其信号进行分析即可实现速度测量；Aizu[9]等对空间滤波法进行了改进，使其能够感测速度的变化程度；Ohno[14]等提出了采用空间滤波探测器来感测两维随机运动的方法，如运动物体的平均速度，尺寸以及数量等；基于光学成像的特性，空间滤波法还可以用于测量光学系统的离焦量，成像距离以及成像位移等。
2.2 空间滤波测速的原理
空间滤波测速（SFV）的基本光学系统如图1所示，在一定的探测区域内，照射光被一个沿x0方向以速度v0移动的运动目标进行散射，通过镜头L成像在一个沿运动方向有空间周期透射比的空间滤波器SF上，经过空间滤波器的光被其后方的一个光电探测器PD接收，由PD探测到的总光强由于图像以速度v运动以及空间滤波器的周期透射比p而产生周期性变化，如图2所示，于是，PD的输出中包含一个周期的周期信号，通过测量这个信号的频率，则目标速度v0可由下式确定[4]：
（1）
其中，M是光学成像系统的放大倍数，则。由图2可知，输出信号中包含一个频率为f0的周期信号，通常为正弦波，通过测量此正弦波的频率即可由以上公式实现速度的测量。
3 空间滤波效应
空间滤波法的原理可以从数学角度和频域的功率谱密度函数来描述。上节对空间滤波测速（SFV）的原理进行了直观的描述，本节对图像强度分布的空间滤波效应进行了数学分析。
如图1所示，坐标为的像平面上放置一个空间滤波器，光传播方向垂直像平面，假设空间滤波器上所成为理想图像。设，分别为平面上运动图像的光强分布及空间滤波器的光强透射比，假设所有通过空间滤波器的光都被光电探测器接收。当图像以速度分量，分别在，方向上移动，则光电探测器的输出信号可由以下积分公式表示：
（2）
式中，，，和为常数。一般的，我们认为地面目标的光强分布在时间和空间上满足随机过程。假设光强分布在，方向上满足静态随机遍历过程，则输出信号的相关函数为：
（3）
其中E[…]代表数学期望。对（3）式进行傅立叶变换，去掉常数部分，可得的空间功率谱密度函数为：
（4）
其中，为光强分布函数在空间频域的空间功率谱密度函数，Hp（μ，ν）为透射比的空间功率谱密度函数，用和表示即：
（5）
（6）
其中，为的傅里叶变换，和分别代表，方向上的空间频率。
如果图像光强分布函数不是随机的，而是周期或非周期（瞬时）的，则其功率谱可表示为：
（7）
其中为函数的傅里叶变换。此时空间功率谱密度函数表示如下：
（8）
其中为输出信号的傅立叶变换，可得：
（9）
由公式（4）可知，功率谱Gp（μ，ν）由两个功率谱函数Fp（μ，ν）和Hp（μ，ν）相乘得出，由此可看出输出信号是由经过空间滤波器调制的输入图像给出的，由线性滤波理论可知，Hp（μ，ν）在空间频域相对输入Fp（μ，ν）表现为一个线性滤波器。
空间滤波器在待测图像的运动方向上要求有一定的周期透射比，为方便数学分析，假设图像只在方向上有速度分量，即，，此时，空间滤波器的透射比只在方向上具有周期性，而在y方向上是相同的。通过对（4）进行积分可得相对空间频率的功率谱密度函数为：
（10）
式中：，为时域内的频率。公式（10）中再次表明功率谱对于输入函数相当于一个滤波函数。由于空间滤波器在方向具有周期透射比，则它的功率谱具有窄带通滤波特性，其中心频率在空间频率处。图3给出了功率谱和在时的典型分布。由于功率谱为两个频谱混叠的结果，因此其分布主要以功率谱为特征。时间功率谱中包含一个在处的频率尖峰，因此，通过测量其中心频率，即可得出目标图像的速度。此种方式通过周期透射的窄带通空间滤波器实现了速度测量，即本文介绍的“空间滤波测速”。
4 结语
在多种相干和非相干测速方法中，空间滤波法以其光学和机械结构简单稳定、光源可选的实用优点而得到了越来越多的重视。本文对空间滤波测速的发展进行了介绍，介绍了空间滤波测速的原理，并从数学角度对空间滤波效应进行了分析。空间滤波器的滤波特性及图像强度的空间分布直接决定了信号质量和测量精度，因此，空间滤波法的数学分析对于空间滤波器的设计、光学系统的配置以及实际应用具有较强的指导意义。
参考文献
[1]Katsuaki Shirai， Yusuke Yaguchi. Highly spatially resolving laser Doppler velocity measurements of the tip clearance flow inside a hard disk drive model [J]. Experiments in Fluids， 2011， Volume 50， Number 3：573-586
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[3]Albrecht， H， E. Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques[M]. Experimental Fluid Mechanics， Springer-Verlag， Heidelberg， 2010.
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[12]T Ushizaka， Y. Aizu， T. Asakura. Measurement of Velocity Using a Lengticular Grating[J]. Appl. Phys. 1986， B39， 97-106.
第7篇：光学成像原理范文
Abstract： The application of optical information processing with rebuilding the frequency spectrum is based on the experiment of Abbe-Poter and spatial filtering. And then， building the physical model of experiment system and programming the simulation with matlab GUI are demonstrated to process the digital image.
关键词： 空间滤波；MATLAB GUI；频谱
Key words： spatial filtering；MATLAB GUI；Frequency Spectrum
中图分类号：O436.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）29-0302-02
0 引言
光学信息处理是基于光学频谱分析，利用傅立叶综合技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程。阿贝于1873年提出的显微镜成像理论，以及他本人于1893年、波特于1906年为验证这一理论所做的阿贝—波特实验，科学地说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系，成为空间滤波的先导。随着计算机硬件、软件技术的快速发展，把电子数字计算机与光学模拟处理器结合起来，使其在光学信息处理领域内应用范围日益扩大。Matlab提供的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）[1，2]是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如键盘或鼠标）选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作变化，比如实现计算及计算可视化、绘图等。Matlab GUI技术集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、界面友好的人机交互方式，给用户带来了操作和控制的方便与灵活性。采用MATLAB GUI设计对光信息处理进行仿真[3，4]，过程简单，可以设计出丰富、直观的界面。操作方便，可以直接在界面上输入和改变参数，直观地分析各参数的变化对实验结果的影响。
1 阿贝成像原理及4f空间滤波系统
1873 年阿贝首次提出了一个与几何光学成像传统理论完全不同的成像概念[5]。该理论认为成像过程包含了两次衍射过程。这两次衍射过程分为两步：一是分频；二是合成。如图1，由物面到后焦面物体衍射光波分解为各种频率分量，在后焦面得到物体的频谱，这是分频过程。由后焦面到像面各频谱分量又合成为像。从频域来看，要求各空间频率成分在传递过程中尽可能少受影响，所得的像逼真与物。但实际上由于物镜有限光瞳的限制，物体的频率分量只有一部分参与了成像。一些高频成分被丢失，因而像产生失真。显然，像和系统传递的空间频率之间存在一一对应的关系。像和物的相似程度完全取决于物体有多少频率成分能参与成像。在频谱面上放置狭缝、小孔等光阑改变透射的频谱，输出像的结构将发生变化。这样提供了一种新的频谱语言描述信息，启发人们用改变频谱的手段来改造信息，即信息光学处理基础。
在成像问题中，希望物与像尽可能相似，考虑的是输入信息的各种频率成分在系统中如何传递。而对于空间滤波更为普遍的问题在于输入信息实现所期望的变换，例如去噪、特征信息的提取等。对输入信息所包含的各种空间频率成分施加振幅和位相调制来实现特定的变换，这就是空间滤波的含义。4f相干光学信息处理系统是傅里叶光学的一个经典滤波系统，系统有与空域对应的输入（物平面）、输出（像平面）平面，以及与频域对应的确定的频谱面，在频谱面可以安放所需要的滤波器。图2为4f相干光学信息处理系统的示意图，物面上的信息经透镜L1实现光学傅里叶变换，在后焦面（即频谱面）上得到物的频谱。在频谱面放置滤波器，透射频谱通过透镜L2在像平面合成为改造后的像。
2 基于MATLAB GUI模拟光的空间滤波现象
数字图像处理是指计算机图像处理，图像的光学处理方式由于实验条件和光学元件的限制而缺少灵活性，计算机图像处理可以灵活进行各种运算，而且具有可编程、控制、分析和判断的能力。利用数学软件matlab GUI技术设计空间滤波界面，可以灵活选取实验参数，在界面实时再现图像处理过程。
用MATLAB GUI设计空间滤波实验仿真界面：建立五个命令按钮，三个图像框，三个可编辑文本框；五个命令按钮分别为低通滤波、高通滤波、方向滤波、带通滤波和结束执行按钮；三个图像框分别为原图像框、滤波器和滤波后图像；两个可编辑文本框为滤波器带宽设置。设计界面如图3所示，然后编写回调函数，点击“演示”控件后出现的用户界面如图4所示。
在滤波带宽选择下，按钮执行结果如图5（a）-（e）。
3 结论
长期以来，由于信息光学课程中的概念繁多，学生对频谱、滤波、卷积等的理解较为抽象，理论教学对实验的依赖性较强，特别是一些光学现象的教学中教师一直沿袭口述笔演的教学方式，这些都给学生进一步理解该课程带来了诸多困难，因而信息光学的教学效果不尽人意。在这种情况下，需要用现代化的教学手段，千方百计地为学生提供观察、理解物理现象的机会，培养学生的思维水平和能力。利用matlab GUI对信息光学实验进行仿真，首先很好解决了真实实验因环境限制而不能进入课堂的难题；其次在掌握光学理论知识和数学软件的前提下，让学生自主探索并通过matlab编程，去完成对知识的巩固和拓宽；最后利用用户对GUI界面的可控性，启发学生对实验中的参数进行改变，根据实际物理条件选择符合要求的最优值，并获得最优条件下的参数值，最后通过理论仿真来指导实践，让学生真切感受科学技术是第一生产力。
参考文献：
[1]张宜华.精通MATLAB6.5版[M].北京：清华大学出版社，1999：202-207.
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[3]赵盾.光学实验计算机仿真平台的构建[J].武汉理工大学学报信息与管理工程版，2010（5）.
第8篇：光学成像原理范文
关键词：
显微镜； 扫描； 采集； 同步； 随机噪声
中图分类号： O 436文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.014
引言
激光共焦扫描显微镜（LCSM）广泛应用在生物医学和材料科学等领域[1]，因其具有三维成像能力和良好的横向分辨率和纵向分辨率[24]受到了广泛的关注。传统的扫描共焦显微镜，一般采用光束扫描式[5]，利用两个相互垂直的平面扫描振镜实现光学切片二维扫描[6]；然而，对于超大视场的成像，光束扫描方式由于在扫描过程中使光束发生偏转，会在视场边缘产生球差，引起视场边缘成像与中心成像分辨率的不一致，从而容易导致光斑的空间轮廓形状凹凸不平[7]。近年来，提出了一种采用数字微镜器件的并行共焦检测系统[810]提高成像速度的方法，但是在微透镜阵列焦平面上得到的焦点是非均匀分布的，产生了一些畸变，与理想的焦点发生了位移。因此，采用工作台运动实现扫描，即激发光的会聚焦点静止而载物台进行二维或三维运动实现连续扫描。这种工作台运动扫描方式，优点是在对超大视场的逐点扫描成像时，可以在整个视场区域实现一致的高分辨率成像，缺点则是成像速度慢。
为了提高成像速度，本文对工作台运动扫描方式LCSM中传统的多帧取平均的方法进行了改进，设计并实现了一种基于工作台连续运动的LCSM系统，并且提出了单帧成像滤除随机噪声的方法。
1反射式LCSM的工作原理
图1是设计的反射式LCSM系统原理图，该系统主要由几大模块组成，包括：光学成像模块、光电转换及放大模块、机械扫描模块、数据采集及数据处理模块。
其中光学成像模块采用无限远光学系统，由于其系统中存在一段平行光路，在光学结构设计和像差矫正上具有一定的优势。入射光波为405 nm的激光，该波长不仅不会杀伤细胞，而且满足高分辨率的要求。采用共轭技术成像，使光源、被测样品及探测器处于彼此对应的共轭位置上。入射激光经过分光镜反射后聚焦到样品的某点处，由该点激发出来的荧光透过显微物镜，光束经过分光镜与高通滤波器后，仅有荧光波段通过，荧光通过成像透镜聚焦于针孔处，非焦平面上的杂散光被滤掉，通过针孔的荧光被光电倍增管接收，工作台通过作三维扫描便可以完成对光学断层成像。
2影响LCSM分辨率的因素
2.1针孔大小及取样间隔的选择
针孔的大小与爱里斑的直径相关，许多人对LCSM的三维光学传递函数与探测器前方针孔直径之间的关系进行了研究[1112]。结果表明[11]，该针孔直径不必非常小。当针孔直径恰好等于一个爱里斑所成像的大小时，探测器接收到的光能量较高，既可以提高信噪比，又不会对分辨率造成特别大的影响。爱里斑经过无限远光学系统放大后，其像的大小为：
其中，β为系统的放大倍率，λ为入射光波长，NA为数值孔径。已知β=40倍，λ=405 nm，NA=0.95，根据式（1）计算得到爱里斑像的大小约为20 μm。因此，该系统选用20 μm针孔直径。取样间隔遵循的原理是奈奎斯特采样定理，将爱里斑作为周期信号，能够区分两个爱里斑的取样间隔为0.25个爱里斑直径，将取样间隔定位在100～125 nm之间，即可满足还原高分辨率图像的要求。
2.2数据分配消除随机噪声
随机噪声具有很宽的频谱，若采用低通滤波，必然会造成图像的高频成分损失。传统的做法是多帧平均，根据随机噪声互不相关的特点，且均值为零，可以有效的压缩噪声。具体的方法就是在被测实验样本荧光极弱的情况下可通过多帧平均的方法来提高信噪比。尽管纳米位移台的重复精度很高（小于5 nm），但是多帧平均会使扫描时间成倍增加，为了在一次扫描时间内完成滤除随机噪声的任务，提出了利用数据分配滤除随机噪声的方法，即在每一点附近采集多次，再将这些值累加或加权取平均得到该点的能量值。具体原理如下所述。
在任意时刻采集的数据为：
累加后的信噪比提高了K倍。
采集卡的型号是NI6120（12 bit），采样率单位为S/s，表示每秒钟采集的次数。最高采样率可以达到10 000 000 S/s。当采样率足够高时，可以近似认为在一点处取得的平均值，就每一行而言，具体采集方法如图2所示。
若采集范围为50 μm，需要500个像素，工作台扫描速度为100 μm/s，当采样率设置为1 000 000 S/s时，每行可以得到500 000个点，取样间隔为100 nm，每个间隔内有1 000个采集点可供分配，若将1 000个采集点都取平均，相当于低通滤波器掩膜尺寸太大，导致细节被滤掉，图像变得很平滑。为了避免这种情况，只取其中的前十分之一的数据，即100个采集点做加权平均，这100个采集点分布在10 nm范围内，对分辨率不会造成影响。
如图3所示，两幅图均取了50次平均，图3（a）的采样率为10 000 S/s；图3（b）的采样率为100 000 S/s可以看出随着采样率的提高，平滑效果减弱。事实上，当采样率可以设置为10 000 000 S/s时，取样平均的次数也可以增加，使均值趋于零。利用这种方法有效地滤掉了随机噪声，同时还保留了图像细节。
3同步系统设计
3.1同步采集方法研究
该系统选用PI公司的3轴压电陶瓷驱动纳米位移台，型号是P545，3个轴移动范围均为200 μm，由于具有长量程和型面不高的特点，非常容易整合进高分辨率的显微镜内，并且位移精度可以达到1 nm，完全满足高分辨成像的需要。
连续扫描是指工作台可以从初始位置连续移动到目标位置，同时采集卡不间断的采集数据，因此，工作台与采集卡实现同步尤为重要。工作台P545的单向重复性优于双向。因此，采用如图4所示的单向梳状扫描路径，并以100 μm/s的速度运动的，在这个速度下运动，工作台状态比较稳定。
采集卡需要工作在有限连续采集模式下，具体方法：给每一行分配一个指定大小的缓存区，当工作台运动到每一行的目标位置时，恰好使采集到的数据填满缓存区，读取后清空缓存区；工作台沿纵向只移动步距，不采集数据。每行采集均重复此过程，采集卡在该模式下工作，没有任何数据被覆盖掉。除此之外，为了实现工作台运动与数据采集同步，还需将工作台与采集卡参数匹配设置，表1列举了一些工作台与采集卡设置的参数，根据不同的需求，选择合适的扫描范围。其中，扫描范围、扫描速度与像素数目决定了成像时间，扫描范围与像素数目决定了取样间隔，继而影响了分辨率，表1给出的参数满足实现高分辨率成像的要求。根据实际情况对分辨率的不同要求，调整表中的参数，在相同扫描范围与像素数目下，采样率越高，赋值范围越小，去噪效果越好。
3.2系统软件设计
为数据同步采集模块的软件设计流程图。首先，设置工作台扫描速度与扫描范围；然后，设置采样率，使采样率、扫描速度和扫描范围完全匹配，即保证工作台运动到目标位置时，采集卡缓存区刚好被填满，其中，循环次数由像素数决定。
操作控制界面如图6所示，主要包括光源控制模块、采集参数设置、工作台控制器参数设置、实时显示模块。
4实验结果
本文所研究的显微镜实验装置如图7所示，鉴于稳定性的要求，加工了三维支架，保证了绝对水平和垂直。为了方便寻找细胞，将分光镜分离的另一束光成像在CCD上，并且在工作台下方安装了粗调X，Y两个方向的底座。
实验中所采用的样品是老鼠脑细胞，细胞的平均尺寸约为10 μm。将表1中的参数输入软件中，完成图像扫描，可获得如图8（b）所示的共焦扫描图像，并与蔡司宽场显微镜对该细胞拍摄的图像进行对比，如
5结论
本文研制的基于工作台连续运动的LCSM系统，完成了系统控制和数据采集的任务，利用有限连续采集模式，解决了机械控制与数据采集难以同步的问题，并在此基础上完成了软件系统的开发工作。与传统的多帧取平均扫描方式相比，大大地提高了成像速度。本文所述的实验结果是在纳米位移台单向扫描方式下获得的，若纳米位移台双向重复性好，能够实现双向扫描，还可以进一步提高成像速度。
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第9篇：光学成像原理范文
关键词：信息光学；传统教学方法；现代教学方式
作者简介：刘红梅（1980-），女，山西山阴人，山西大同大学物理与电子科学学院，讲师。（山西 大同 037009）
基金项目：本文系博士科研启动基金项目（项目编号：2012-B-04）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）31-0095-02
信息光学是在全息术、光学传递函数和激光的基础上从传统的、经典的波动光学中脱颖而出的一门新型学科，主要包括标量衍射理论、光学成像系统的传递函数、光学全息、空间滤波、波前调制、相干与非相干光学处理等内容，是现代光学的核心部分。信息光学课是光信息科学与技术等专业的一门重要的专业必修课程，其目的不仅要使学生掌握信息光学的基础理论、基本知识，而且还要培养学生物理科学素养、信息素养等综合能力，开拓学生的创新思维，激发学生探索和创新精神。因此，信息光学的教学要做到在兼顾课程特点、专业特点的基础上，加强培养学生理论联系实际的能力，为从事光学相关工作打下基础。目前，信息光学的教学主要存在的问题是其教学与实际的技术、应用等结合得比较少，联系不紧密。尽管在课堂上有些教师也会掺杂一些实际应用、技术等知识，但由于信息光学知识的理解过于抽象，内容不易拓展，教学效果仍然不是很理想。因此，针对这种现状，本文主要从信息光学的新型交叉学科特点入手，介绍了如何合理选择、应用不同的传统与现代的教学方法，并结合现代信息技术来更新原有的教学方法。具体来说，根据信息光学中各部分内容的不同的特点（如实践性强、前瞻性强等），采用传统教学方式和现代教学方式相结合，以多样化的现代教学方式为主的教学模式，达到激发学生积极性、教学效果最佳化的目的。
一、加强教学与实际应用的结合
信息光学是一门新型应用性课程，其一个很重要的特点就是与实际应用紧密相关，因此信息光学的教学应该也应与实际应用相结合，不断充实和更新教学内容，加深同学对基本原理、基础知识的理解，同时也增强学生学习的兴趣。具体来说，可以带领学生参观一些相关的企业的生产线，通过与这些实际应用的接触，加强学生对基础知识的认知和理解，强化学习效果，为学生日后从事光信息相关行业奠定基础。例如，在讲解空间滤波应用实例策尼克相衬显微镜时，可以到企业让学生看看策尼克相衬显微镜究竟是什么样的，包含哪些部分，如何使用，以及与普通显微镜的区别在什么地方，并邀请企业的一线工程师实地讲解这个显微镜的制作过程。有可能的话，可以让学生亲身体验、参与使用策尼克相衬显微镜观察活体标本的过程。这样，不仅能让学生感受到自己学习知识的有用性，而且在加深理解空间滤波原理的同时，拓展学生对信息光学应用的了解。
二、教学与技术发展有机结合
信息光学作为一门新型信息学科，其相应技术正在或者已经应用到实际当中。在教学中插入关于这些技术的介绍，能充分调动学生积极性，激发学生学习热情。例如在讲解全息成像原理时，可以从人们最初从科幻电影、电视中看到的三维人物到目前已经初步实现的3D电影入手，指出这些技术的实现就是利用三维成像技术，进而给出三维人物或者场景再现的原理及过程，达到调节课堂气氛，调动学生学习积极性的目的。此外，还可与科学发展前沿相结合，指出这种三维成像技术的应用前景、发展动态以及目前所存在的待解决的问题，使学生能及时了解现有技术的发展动态，激发学生学习热情的同时，尝试培养学生探索新知识、新技术的能力，为后续可能从事相关行业奠定基础。当然，还要注意一点，对前沿内容的引进要适度，以激发学生学习积极性、扩充学生的视野为目的，避免过度压缩基本内容的学时，增加学生学习负担。
三、将科学发展史融入教学
根据信息光学的教学内容，合理恰当地将科学发展史融入教学中，给学生介绍一些概念、技术、实验等的产生、发展历史，让其体会到光学知识的获得过程，培养学生的科学精神。在信息光学中，光的全息术有着至关重要的作用。它的出现，并与光学传递函数相结合为整个信息光学的发展奠定了坚实的基础，使人类对光的认识向前迈进了一大步。因此，可以以光全息术理论的讲解为例，来说明科学发展史如何融入教学。在开始光学全息这一章内容的教学时，从历史背景和相关实验入手，以丹尼斯-盖伯、利思和乌帕特尼克斯等人的实验发现、研究为主线，讲述这些科学家的研究思路、实验分析。追踪他们在全息术中发现问题、解决问题的过程，引出光学全息的概念及发展历程，为后续讲解同轴全息、离轴全息等做好准备。这不仅使学生能比较自然地接受后续对波前再现、记录、同轴全息、离轴全息等知识的学习，而且使学生能整体上对全息成像有更全面深入的理解，起到了融会贯通的作用。同时，发展史的引入也会使学生体会到科学家那种坚持不懈、不断创新的科学精神，为学生科学精神的培养树立榜样，奠定基础。
四、课堂教学与实验教学进行有机的互动
在信息光学某些教学内容的讲解中，需要与实验教学相结合，课堂教学与实验教学相互动，采用探索式学习的方法，来提升学生学习效果，加深对新知识的理解。例如在讲解阿贝成像原理时，可以先让学生进行阿贝-波特实验，在透镜的后焦平面上放置各种不同的遮挡物（如光圈、狭缝、小光屏）时，像发生了很大的变化。根据这个现象，以提出问题、发现问题、解决问题的方式引导学生探索学习新知识。比如可以指出，在这个实验中，为什么要把遮挡物放在透镜的焦平面上，为什么放置一水平狭缝时，出现的像是竖直状条纹；这种成像方式究竟满足什么规律。带着这些疑问，老师可以就阿贝成像原理引入的新观点进行了讲解，加深学生的理解，调动学生学习的积极性。在学习了理论上的教学之后，还可以继续与实验教学相互动，进行阿贝成像空间实验的扩展实验，比如在频谱面上放置光圈，从而加强学生对新知识、基础知识的认知和理解，拓展学生自我探索新知识的能力，培养学生理论联系实际的能力的同时，增强实践动手能力。
五、渗入现代编程技术
信息光学将傅里叶变换和线性系统理论引入光学中，使光学图像可以用空间频率的分布和变化来描述，产生了新的光学信息处理方式，即可以通过在频域内实施某种变换来实现对输入信息的各种变化处理。信息光学中空间滤波、波前调制、相关光学处理、非相干光学处理等部分就与这种光学信息处理方式紧密相关。
在这些内容中，关于光学图像空间频率的概念以及空间滤波问题的理解是至关重要的，它为后续知识的学习奠定了坚实的基础。因而，在教学中，如何使学生在较短时间内接收空间频率的新观点，如何使用这个新观点来看到一幅光学图像，这是亟待解决的关键问题。为了让学生更容易理解、接受空间频率的概念和空间滤波的物理过程，在教学中引入现代计算机编程技术，利用MATLAB软件来实现空间滤波仿真实验，并与实际的光学实验相比较，使学生真正理解了空间频率的概念以及空间滤波的实质。具体来说，可以通过电子教案来演示如何使用MATLAB编程软件来实现空间滤波的仿真步骤。首先借助相关函数将图像、滤波器、傅里叶频谱等用数学的方式来表达和描述，接着通过对输入图像的频谱进行调制，从而完成对输入图像改造和处理的数学实现。同样，也可引入MATLAB用于仿真光学图象增强处理、消模糊处理、图象识别等方面的相关介绍，这样不但能使复杂抽象的问题形象化、具体化，而且还能激发学生学习编程技术的兴趣和爱好，达到培养学生科学素养的目的。
综上所述，与实际应用、技术相结合，提升了学生理论联系实践的能力；科学发展史的引入、应用提升了学生课堂学习的兴趣和效果；课堂教学与实验教学的互动，增强了学生对基础知识的理解；渗入现代编程技术，解决了信息光学课程中的抽象问题的形象化、具体化。因此，根据信息光学各部分知识的不同特点，合理选择上述不同的教学方式，有助于学生理解相关知识，能很大程度上提升教学效果，达到最优化。
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